Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe

Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe. Diese Kraftstofffördereinrichtung findet beispielsweise Anwendung bei

Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen mit einem kryogenen Kraftstoff- Antrieb, insbesondere mit Erdgas.

Stand der Technik

In der nicht vorveröffentlichten Schrift DE 10 2017 219 784 Al ist eine

Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe beschrieben. Die

Kraftstofffördereinrichtung umfasst eine Vorförderpumpe und eine

Hochdruckpumpe. Weiterhin weist die Hochdruckpumpe einen Pumpenkopf auf, in dem ein Kompressionsraum ausgebildet ist, welcher durch einen hin- und her beweglichen Kolben begrenzt wird. Darüber hinaus ist in die Hochdruckpumpe ein Kaltfahrventil integriert, über welches der Kompressionsraum und/oder ein Niederdruckraum der Hochdruckpumpe mit einem Tank verbindbar ist bzw. sind.

Wird die Hochdruckpumpe nach einer Betriebspause wieder in Betrieb genommen, weist diese typischerweise Umgebungstemperatur auf. Der kryogene Kraftstoff aus dem Tank weist jedoch eine Speichertemperatur von beispielsweise -160°C auf, so dass dieser bei einer Förderung in den

Pumpenkopf der Hochdruckpumpe sofort verdampft. Daher ist in der

Hochdruckpumpe der DE 10 2017 219 784 ein Kaltfahrventil integriert, wodurch der Kompressionsraum und/oder der Niederdruckraum mit dem Tank verbindbar ist, so dass der Pumpenkopf der Hochdruckpumpe mit kryogenem Kraftstoff vor Inbetriebnahme gespült werden kann, um diesen für den Betrieb vorzukühlen. Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass in einfacher und kostengünstiger Weise die Funktion des Kaltfahrventils in den

Niederdruckspeicher integriert ist, ohne die Funktion der Hochdruckförderpumpe zu beeinträchtigen.

Dazu weist die Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe einen Tank, eine Hochdruckförderpumpe und eine Zulaufleitung auf, über welche

Zulaufleitung der Hochdruckförderpumpe kryogener Kraftstoff aus dem Tank zuführbar ist. Die Hochdruckförderpumpe weist ein Pumpengehäuse auf, in dem ein mit der Zulaufleitung verbundener Ansaugraum ausgebildet ist. Der

Ansaugraum ist mittels eines Verbindungskanals mit einem Hochdruckraum verbindbar, wobei zum Öffnen und Schließen des Verbindungskanals ein Säugventil in dem Pumpengehäuse angeordnet ist. Das Säugventil umfasst ein entlang einer Längsachse der Hochdruckförderpumpe bewegliches

Saugventilelement, welches mit einem ersten Dichtsitz zusammenwirkt.

Weiterhin ist koaxial zu dem Saugventilelement ein Kaltfahrventilelement angeordnet, an welchem Kaltfahrventilelement der erste Dichtsitz ausgebildet ist. Darüber hinaus ist sowohl das Kaltfahrventilelement als auch das

Saugventilelement jeweils als mittels eines Elektromagneten hubbeweglicher Magnetanker ausgebildet.

So kann in einfacher Weise ein Kaltfahrventil bauraumoptimiert zur Durchspülung der Hochdruckförderpumpe in die Hochdruckförderpumpe integriert werden, ohne dass deren Funktion oder die Lebensdauer der verwendeten Bauteile beeinträchtigt werden. Weiterhin wird die Funktion des Kaltfahrens verbessert, da zusätzlich zum hydraulischen Druck des kryogenen Kraftstoffs die magnetische Kraft des Elektromagneten einen schnellen Öffnungshub des Saugventilelements gewährleistet.

In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass ein Ankerteller des Kaltfahrventilelements mit dem Elektromagneten wirkverbunden ist. So kann die Hubbewegung des Kaltfahrventilelements mittels des Elektromagneten präzise gesteuert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Saugventilelement Längsnuten aufweist, durch welche Längsnuten bei geöffnetem ersten Dichtsitz kryogener Kraftstoff aus dem Ansaugraum in den Hochdruckraum strömen kann. So kann in einfacher und bauraumsparender Weise ein Durchfluss von kryogenem Kraftstoff in der Hochdruckförderpumpe ermöglicht werden.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Kaltfahrventilelement eine Ausnehmung aufweist, in welcher Ausnehmung eine Feder angeordnet ist, welche Feder sich zwischen dem Kaltfahrventilelement und dem

Saugventilelement abstützt und das Saugventilelement mit einer Kraft in Richtung des ersten Dichtsitzes beaufschlagt. Vorteilhafterweise ist der

Verbindungskanal in der Ausnehmung des Kaltfahrventilelements ausgebildet und das Säugventil in der Ausnehmung des Kaltfahrventilelements

aufgenommen. So kann in einfacher Weise das Kaltfahrventilelement in die Hochdruckförderpumpe integriert werden, ohne zusätzlichen Bauraum zu beanspruchen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Saugventilelement einen Ankerteller aufweist, an welchem Ankerteller

Anformungen ausgebildet sind, welche Anformungen in Ausnehmungen des Ankertellers des Kaltfahrventilelements eingreifbar sind. Durch optimierte räumliche Anordnung des Ankertellers des Saugventilelements zu dem

Elektromagneten kann so in einfacher Weise die magnetische Kraft auf das Saugventilelement erhöht werden, so dass ein schnelleres Schalten erzielt wird.

In vorteilhafter Weiterbildung ist an einem konisch verjüngtem Absatz des Pumpengehäuses ein zweiter Dichtsitz ausgebildet, der mit dem

Kaltfahrventilelement zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Hochdruckraum und der Rückführleitung zusammenwirkt und so ein

Kaltfahrventil ausbildet. So ist in einfacher Weise die Rückführung von kryogenem Kraftstoff aus der Hochdruckförderpumpe in Richtung Tank gewährleistet. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Kaltfahrventilelement mittels einer Druckfeder mit einer Kraft in Richtung des zweiten Dichtsitzes beaufschlagt ist. Dadurch ist die Verbindung zwischen dem Hochdruckraum und der Rückführleitung schließbar.

In vorteilhafter Weiterbildung ist der erste Dichtsitz konisch ausgebildet. So wird eine verbesserte Funktion des Säugventils in der Hochdruckförderpumpe und damit eine Optimierung der Dichtheit am ersten Dichtsitz erzielt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Hochdruckraum mit einer Rückführleitung verbindbar ist, welche mit dem Tank verbunden ist. Dadurch ist bei Öffnung der Rückführleitung ein Kraftstoffkreislauf zwischen der Hochdruckförderpumpe und dem Tank geschlossen.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in der Längsbohrung ein längsbeweglicher Pumpenkolben angeordnet ist, welcher den Hochdruckraum begrenzt. Vorteilhafterweise ist der Pumpenkolben mittels einer Feder mit einer Kraft entgegen der Richtung des Ansaugraums beaufschlagt. Durch

Längsbewegungen des Pumpenkolbens kann der kryogene Kraftstoff bei Betrieb komprimiert und durch die Hochdruckförderpumpe gefördert werden.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in dem Tank eine

Vorförderpumpe angeordnet ist, welche Kraftstoff aus dem Tank über die Zulaufleitung in den Ansaugraum der Hochdruckförderpumpe fördert. Dies ermöglicht eine variable Anordnung der Hochdruckförderpumpe, so dass diese beispielsweise relativ nahe zum Tankbehälter, oder aber relativ nahe zur Brennkraftmaschine angeordnet werden kann.

Zeichnungen

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Kraft stofffördereinrichtung dargestellt. Es zeigt

Fig. la ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffförderein richtung im Längsschnitt,

Fig. lb das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffförderein richtung aus der Fig. la mit geöffneten Ventilen im Längsschnitt, Fig. 2a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraft stofffördereinrichtung im Längsschnitt,

Fig. 2b das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffförderein richtung aus der Fig. 2a mit geöffneten Ventilen im Längsschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig.la ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffför dereinrichtung 100 für kryogenen Kraftstoff, beispielsweise Erdgas, im Längs schnitt gezeigt. Die Kraftstofffördereinrichtung 100 weist einen Tank 30, eine Hochdruckförderpumpe 1 und eine Zulaufleitung 18 auf, welche den Tank 30 mit der Hochdruckförderpumpe 1 verbindet.

Der Tank 30 dient der Speicherung des auf eine Temperatur von beispielsweise -110°C oder weniger herabgekühlten Kraftstoffs. Hierzu weist der Tank 30 einen Innentank 301 und einen Außentank 302 auf, welche durch einen Zwischenraum 303 getrennt sind. Der Zwischenraum 303 ist üblicherweise evakuiert, so dass nur ein sehr geringer Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Tank 30 erfolgen kann. Der Innentank 301 ist bis zu einem Füllpegel 51 mit flüssigem Anteil 32 des Kraftstoffs gefüllt. Oberhalb des Füllpegels 51 liegt der Kraftstoff in seiner gasförmigen Phase 31 vor.

Der Tank 30 ist von einer Vorförderpumpe 34 durchsetzt, welche den Kraftstoff aus dem Tank 30 über die Zulaufleitung 18 in Richtung der

Hochdruckförderpumpe 1 fördert. Dabei ist in der Zulaufleitung 18 ein

Absperrventil 44 angeordnet, welches bei nicht betriebener

Kraftstofffördereinrichtung 100 geschlossen ist, um ein Rückströmen von gasförmigen Anteilen 31 des Kraftstoffs aus der Hochdruckförderpumpe 1 in den Tank 30 zu verhindern. Der Tank 30 umfasst darüber hinaus ein

Druckbegrenzungsventil 45, so dass bei Überschreitung eines maximalen Grenzdrucks in dem Tank 30 Gas an die Umgebung abgegeben werden kann.

Die Hochdruckförderpumpe 1 weist ein Pumpengehäuse 2 auf, in dem eine stufenförmige Längsbohrung 17 ausgebildet ist. In der Längsbohrung 17 ist ein längsbeweglicher Pumpenkolben 4 angeordnet. Mit einem Ende 46 begrenzt der Pumpenkolben 4 einen Hochdruckraum 12, welcher mit einer Leitung 16 mittels eines Überdruckventils 52 mit einem Hochdruckspeicher verbindbar ist. Weiterhin ist der Hochdruckraum 12 über eine Rückführleitung 22 mit dem Tank 30 verbindbar.

Weiterhin ist in der Längsbohrung 17 ein Ansaugraum 50 ausgebildet, welcher mit der Zulaufleitung 18 verbunden ist und von welchem ein Verbindungskanal 26 in den Hochdruckraum 12 mündet. In dem Ansaugraum 50 ist ein

längsbewegbares Saugventilelement 140 angeordnet, welches mit einem tellerförmigen Ende 54 in den Hochdruckraum 12 hineinragt. Das

Saugventilelement 140 ist von einem Kaltfahrventilelement 660 umgeben, an dem ein erster Dichtsitz 25 ausgebildet ist. Dieser erste Dichtsitz 25 bildet zusammen mit dem Saugventilelement 140 ein Säugventil 14 aus.

In dem Ansaugraum 50 ist weiterhin ein Elektromagnet 6 angeordnet, welcher einen Magnetkern 60 und eine Magnetspule 600 umfasst. Das

Kaltfahrventilelement 660 ist hier als Magnetanker 66‘ mit einem Ankerteller 38 ausgebildet. Zusammen mit einem an einem konisch verjüngtem Absatz 20 des Pumpengehäuses 2 ausgebildetem zweitem Dichtsitz 27 bildet das

Kaltfahrventilelement 660 ein Kaltfahrventil 66 aus. Mittels einer Druckfeder 3, welche sich zwischen dem Ankerteller 38 des Kaltfahrventilelements 660 und einem Absatz 36 des Pumpengehäuses 2 abstützt, ist das Kaltfahrventilelement 660 mit einer Kraft in Richtung des zweiten Dichtsitzes 27 beaufschlagt.

Weiterhin weist das Kaltfahrventilelement 660 eine Ausnehmung 29 auf, in der das Saugventilelement 140 aufgenommen ist. Das Saugventilelement 140 ist hier ebenfalls als Magnetanker 140‘ ausgebildet und weist einen Ankerteller 39 auf, an welchem sich eine Feder 5 abstützt, welche das Saugventilelement 140 mit einer Kraft in Richtung des ersten Dichtsitzes 25 beaufschlagt, so dass das Säugventil 14 mit seinem tellerförmigen Ende 54 den ersten Dichtsitz 25 sperrt.

In dem Saugventilelement 14 sind Längsnuten 55 ausgebildet, wobei der Verbindungskanal 26 zwischen dem Saugventilelement 140 und dem

Kaltfahrventilelement 660 in den Längsnuten 55 und der Ausnehmung 29 des Kaltfahrventilelements 660 ausgebildet ist.

Mit seinem dem Ansaugraum 50 abgewandten Ende begrenzt der

Pumpenkolben 4 zusammen mit dem Pumpengehäuse 2 einen Steuerraum 48, wobei der Kraftstoffdruck in dem Steuerraum 48 über einen Kanal 8 abbaubar ist. Weiterhin ist in dem Steuerraum 48 eine Feder 47 angeordnet, welche den Pumpenkolben 4 in Richtung einer Öffnung 58 kraftbeaufschlagt. Die Öffnung 58 ist dabei mit einem nicht gezeigten Hydrauliksystem zum Antrieb der

Hochdruckförderpumpe 1 verbunden.

Der Ankerteller 38 des Kaltfahrventilelements 660 und der Ankerteller 39 des Saugventilelements 140 sind in dem Pumpengehäuse 2 mit dem

Elektromagneten 6 wirkverbunden, was im Folgenden durch die Funktionsweise der Kraftstofffördereinrichtung 100 gezeigt wird.

Funktionsweise der Kraftstofffördereinrichtung

Bei Betrieb der Kraftstofffördereinrichtung 100 fördert die Vorförderpumpe 34 Kraftstoff aus dem Tank 30 über die Zulaufleitung 18 in Richtung Ansaugraum 50 der Hochdruckförderpumpe 1, wobei der Elektromagnet 6 in diesem

Betriebsmodus nicht eingeschaltet ist. Durch Längsbewegungen des

Saugventilelements 140 und des Pumpenkolbens 4 wird der Kraftstoff in die Hochdruckförderpumpe 1 gefördert. Dabei bewegt sich der Pumpenkolben 4 in Richtung der Öffnung 58, wodurch in dem Hochdruckraum 12 der Druck absinkt, so dass das Säugventil 14 den Verbindungskanal 26 freigibt und kryogener Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 12 in den Ansaugraum 50 strömen kann. Dadurch sinkt der Druck in dem Hochdruckraum 12, so dass der Druck an dem Endbereich des Pumpenkolbens 4, welcher dem Hochdruckraum 12 zugewandt ist, nicht so hoch ist wie an dem anderen Endbereich des Pumpenkolbens 4. Aufgrund dessen bewegt sich der Pumpenkolben 4 wieder in Richtung der Öffnung 58 und das Säugventil 14 schließt den Verbindungskanal 26. Dadurch wird der kryogene Kraftstoff auf einen angesprochenen Systemdruck von beispielsweise 500 bar komprimiert und über das Überdruckventil 52 in die Leitung 16 gedrückt. Der komprimierte Kraftstoff kann beispielsweise

Einspritzventilen einer Brennkraftmaschine zugeführt werden.

Bei einem erstmaligen Betrieb oder einer Wiederaufnahme des Betriebs der Kraftstofffördereinrichtung 100 wird die Hochdruckförderpumpe 1 mit kryogenem Kraftstoff gespült, um diese zu kühlen und eine Verdampfung des kryogenen Kraftstoffs unmittelbar nach Eintritt in die Hochdruckförderpumpe 1 zu verhindern und möglichen Verlusten vorzubeugen.

Fig.lb zeigt dazu das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel der

Kraftstofffördereinrichtung 100 aus der Fig.la im Längsschnitt bei geöffnetem Saugventilelement 140 und geöffnetem Kaltfahrventilelement 660.

Zur Öffnung des zweiten Dichtsitzes 27 wird die Magnetspule 600 bestromt und so ein Magnetfeld erzeugt, welches sowohl auf das als Magnetanker 66‘ ausgebildete Kaltfahrventilelement 660 als auch auf das als Magnetanker 140‘ ausgebildete Saugventilelement 140 eine magnetische Kraft ausübt. Ist diese magnetische Kraft größer als die Federkraft der Druckfeder 3 und der Feder 5, so bewegt sich das Kaltfahrventilelement 660 in Richtung des Pumpenkolbens 4 und gibt den zweiten Dichtsitz 27 frei und das Saugventilelement 140 gibt den ersten Dichtsitz 25 frei. So ist ein Kraftstoffkreislauf zwischen dem Tank 30 und der Hochdruckförderpumpe 1 geschlossen, wobei der Pumpenkolben 4 bei der Durchspülung keine Längsbewegung ausführt. Kryogener Kraftstoff strömt nun über die Zulaufleitung 18 in den Ansaugraum 50 und von dort aus über den Verbindungskanal 26 in den Hochdruckraum 12. Über den freigegebenen zweiten Dichtsitz 27 strömt der kryogene Kraftstoff über die Rückführleitung 22 in den Tank 30 zurück.

So kann die Hochdruckpumpe 1 bei erstmaligem Betrieb oder Wiederaufnahme des Betriebs der Kraftstofffördereinrichtung 100 durch Durchspülen mit kryogenem Kraftstoff auf Betriebstemperatur gekühlt werden und es entstehen bei Inbetriebnahme keine Verluste wie beispielsweise durch Verdampfung des kryogenen Kraftstoffs unmittelbar nach Eintritt in die Hochdruckpumpe 1.

Außerdem ist durch das durch den Elektromagneten 6 ebenfalls ansteuerbare Saugventilelement 140 eine schnelle und effiziente Durchspülung möglich, wobei gleichzeitig ein möglicherweise auftretender Verschleiß an dem

Saugventilelement 140, beispielsweise durch Abprellen des Saugventilelements 140 an dem ersten Dichtsitz 25, minimiert werden kann.

Fig.2a zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der

Kraftstofffördereinrichtung 100 im Längsschnitt. Bauteile gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet. Das weitere Ausführungsbeispiel entspricht weitestgehend in Funktion und Aufbau dem ersten Ausführungsbeispiel aus den Fig.la und Fig.lb. Der Unterschied liegt in den Ausgestaltungen der Ankerteller 38, 39 des Saugventilelements 140 und des Kaltfahrventilelements 660. Der Ankerteller 38 des Kaltfahrventilelements 660 weist mehrere Ausnehmungen 40 auf, in welche Ausnehmungen 40 der

Ankerteller 39 des Saugventilelements 140 mit Anformungen 37 eingreifen kann. So kann der räumliche Abstand zwischen dem Ankerteller 39 des

Saugventilelements 140 und dem Elektromagneten 6 minimiert und die magnetische Kraft auf das Saugventilelement 140 bei aktivem Elektromagneten 6 erhöht werden.

Fig.2b zeigt das weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel der

Kraftstofffördereinrichtung 100 aus der Fig.2a im Längsschnitt bei geöffnetem Saugventilelement 140 und geöffnetem Kaltfahrventilelement 660.