Tankbehälter für kryogene Kraftstoffe und System zur Kraftstoffeinblasung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Tankbehälter für kryogene Kraftstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein System zur

Kraftstoffeinblasung eines gasförmigen Kraftstoffs in den Ansaugtrakt oder den Brennraum einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines

erfindungsgemäßen Tankbehälters. Ein Tankbehälter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US

8,650,887 B2 bekannt. Der bekannte Kraftstoffbehälter dient der Bevorratung bzw. Speicherung von bei tiefen Temperaturen flüssigem Kraftstoff. Gemeint sind hierbei Temperaturen bei der Verwendung von Wasserstoff oder Erdgas, die beispielsweise etwa -150°C oder noch weniger betragen. Der Betriebsdruck im Innern eines derartigen Tanks beträgt dabei typischerweise, und nicht einschränkend, etwa zwischen 3bar und 5bar. Insbesondere dient ein derartiger Tankbehälter dazu, als Speicher für den Kraftstoff in einem Kraftfahrzeug zu dienen, wobei er Bestandteil eines Systems zur Kraftstoffeinblasung des gasförmigen Kraftstoffs in den Ansaugtrakt oder den Brennraum einer

Brennkraftmaschine ist. Insbesondere zeichnet sich ein derartiger, aus dem

Stand der Technik bekannter Tankbehälter durch einen Innentank aus, der mittels einer Trennwand in zwei Teilräume unterteilt ist. Der erste, üblicherweise ein größeres Volumen aufweisende Teilraum dient der Speicherung des herabgekühlten bzw. flüssigen Kraftstoffs. Typischerweise ist der erste Teilraum nicht vollständig mit dem flüssigen Kraftstoff gefüllt, um bei einer Erwärmung, welche beispielsweise über die Wand des Innentanks erfolgt, eine Expansion des Kraftstoffs derart zu ermöglichen, dass dieser in den zweiten, als Ausgleichsraum dienenden Teilraum des Innentanks überströmen kann. Hierzu ist es beim Stand der Technik vorgesehen, die Trennwand zwischen den beiden Teilräumen über eine Verbindung bzw. Öffnung zu koppeln, in der ein Rückschlagventil angeordnet ist. Dieses Rückschlagventil verhindert insbesondere auch ein Rückströmen bzw. den Eintritt von Gas aus dem zweiten Teilraum in Richtung des ersten Teilraums. Um es zu ermöglichen, dass der in dem ersten Teilraum gespeicherte Kraftstoff sich möglichst wenig erwärmt, ist der Innentank des Tankbehälters von einem Außenmantel umgeben, wobei der Zwischenraum zwischen dem Innentank und dem Außenmantel evakuiert ist, um eine

Wärmeleitung von der Umgebung in Richtung des Innentanks zu vermeiden bzw. zumindest zu reduzieren. Zur Förderung von flüssigem Kraftstoff aus dem Innentank weist der bekannte Tankbehälter darüber hinaus eine Pumpe auf, die über eine Ansaugleitung Verbindung mit dem flüssigen Kraftstoff im ersten Teilraum des Innentanks hat. Zusammengefasst zeichnet sich der bekannte Tankbehälter für kryogene Kraftstoffe dadurch aus, dass der zweite Teilraum des Innentanks ausschließlich dem Ausgleich von Temperaturschwankungen bzw. der Möglichkeit eines Volumenübertritts von Kraftstoff aus dem ersten Teilraum in den zweiten Teilraum dient.

Darüber hinaus ist es aus dem Stand der Technik auch bekannt, den Kraftstoff aus dem Tankbehälter über einen Differenzdruck zu fördern. Der Differenzdruck wird beispielsweise durch einen Heizkreis erzeugt. Dabei wird flüssiger Kraftstoff aus dem ersten Teilraum entnommen, verdampft und in den ersten Teilraum zurückgeführt. Dadurch steigt der Druck in dem ersten Teilraum an, da sich das Fluid bzw. der Kraftstoff ausdehnt. Der resultierende Differenzdruck ermöglicht folglich die Förderung des Kraftstoffs aus dem ersten Teilraum. Durch die in der Trennwand zwischen den beiden Teilräumen ausgebildete Verbindung wird dabei bei den bekannten Systemen zumeist der gesamte Tankbehälter unter Druck gesetzt.

Offenbarung der Erfindung Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die

Aufgabe zugrunde, einen Tankbehälter für kryogene Kraftstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine alternative

Förderung von Kraftstoff aus dem Tankbehälter bei relativ geringem

vorrichtungstechnischem Aufwand ermöglicht wird. Insbesondere soll das alternative System der Kraftstoffförderung dazu geeignet sein, eine in einem

System zur Gaseinblasung von Kraftstoff in einem Kraftfahrzeug vorhandene Überdruckquelle oder eine dort vorhandene, unter Druck stehende

Rückführleitung zur Kraftstoffförderung verwenden zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Tankbehälter für kryogene Kraftstoffe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den ansonsten beim Stand der Technik lediglich zum Volumen- bzw. Druckausgleich dienenden zweiten Teilraum aktiv zur Förderung von Kraftstoff zu verwenden, derart, dass der zweite Teilraum gegenüber dem ersten Teilraum unter einen erhöhten Druck gesetzt wird. Dieser erhöhte Druck dient, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, der Förderung von Kraftstoff aus dem ersten und/oder zweiten Teilraum des Innentanks.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Tankbehälters für kryogene Kraftstoffe sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Einrichtung zur Förderung von Kraftstoff in einem Bereich des zweiten Teilraums des Innentanks angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, kondensierten Kraftstoff aufzunehmen. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die

Einrichtung zur Kraftstoffförderung den über die Trennwand zwischen den beiden Teilräumen in den zweiten Teilraum eintretenden, in dem zweiten Teilraum kondensierten Kraftstoff fördert. Eine derartige Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass lediglich eine einzige Verbindung zwischen den beiden

Teilräumen vorgesehen sein muss, die ein Überströmen von gasförmigen

Bestandteilen des Kraftstoffs aus dem ersten Teilraum in den zweiten Teilraum ermöglicht. Eine derartige Ausführungsform ist insbesondere bei relativ geringen Volumenströmen sinnvoll bzw. anwendbar, da der Anteil des über die Trennwand in den zweiten Teilraum eintretenden Gases, das im zweiten Teilraum

kondensiert, begrenzt ist und von äußeren Faktoren, insbesondere der

Erwärmung und/oder dem Druckanstieg im zweiten Teilraum abhängig ist.

In Weiterbildung oder aber in alternativer Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Einrichtung zur Förderung von Kraftstoff mittels einer die Trennwand durchquerenden Leitung mit dem ersten Teilraum des Innentanks

Verbindung hat. In diesem Fall wird der Kraftstoff aus dem Bereich des ersten Teilraums entnommen bzw. gefördert. Die Anordnung der Entnahmeleitung in dem ersten Teilraum ist dabei insbesondere in dessen Bodenbereich, so dass sichergestellt ist, dass (ausschließlich) die flüssige Phase des Kraftstoffs gefördert wird.

Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, den unter gegenüber dem ersten Teilraum unter höherem Druck stehenden zweiten Teilraum zum Betrieb einer als Strahlpumpe ausgebildeten Kraftstoffförderpumpe zu nutzen.

Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass aus dem Tankbehälter nicht der flüssige, herabgekühlte Kraftstoff entnommen bzw. gefördert wird, sondern gasförmige Bestandteile bzw. der gasförmige Anteil des Kraftstoffs, welcher insbesondere über die Trennwand von dem ersten Teilraum in den zweiten Teilraum übergeströmt ist. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die Einrichtung zur Förderung von Kraftstoff, zumindest mit seinem Sauganschluss, in einem Bereich des zweiten Teilraums angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, gasförmige Bestandteile des Kraftstoffs aufzunehmen bzw. zu speichern. Es erfolgt dadurch eine direkte Ansaugung der gasförmigen Bestandteile des Kraftstoffs durch eine entsprechend ausgebildete Förderpumpe.

Aus Sicherheitsaspekten ist es sinnvoll bzw. erforderlich, den in dem zweiten Teilraum herrschenden Überdruck auf ein derartiges Maß einzuschränken, dass eine Beschädigung des Tankbehälters ausgeschlossen ist. Hierzu kann es insbesondere vorgesehen sein, dass der zweite Teilraum des Innentanks zumindest mittelbar mit einem Überdruckventil verbindbar ist, um den Gasdruck im zweiten Teilraum zu begrenzen.

Wesentlich bei allen unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung ist es, dass ein Überströmen von Kraftstoff, sei es in flüssiger Form oder in gasförmiger Form, stets nur von dem ersten Teilraum in Richtung des zweiten Teilraums erfolgt. Um dies sicherzustellen, ist es vorgesehen, dass in der Trennwand zwischen den beiden Teilräumen und ggf. in der die Trennwand durchquerenden Leitung Rückschlagventile angeordnet sind, die einen Strömungsweg von dem zweiten Teilraum in Richtung des ersten Teilraums sperren. Weiterhin umfasst die Erfindung auch ein System zur Kraftstoffeinblasung eines gasförmigen Kraftstoffs in den Ansaugtrakt oder den Brennraum einer

Brennkraftmaschine unter Verwendung eines soweit beschriebenen,

erfindungsgemäßen Tankbehälters. Dabei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Einrichtung zur Förderung von Kraftstoff aus dem Tankbehälter der Förderung des Kraftstoffs in ein Speichervolumen dient, das mit wenigstens einem Gasventil verbunden ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die Einrichtung zur Förderung von Kraftstoff aus dem Tankbehälter zur

Sicherstellung des in dem System erforderlichen bzw. gewünschten

Systemdrucks dient. Dazu ist das Speichervolumen beispielsweise in Form eines Rails oder eines ähnlichen Bauteils ausgebildet, aus dem wenigstens ein Gasventil mit gasförmigem Kraftstoff versorgbar ist.

Ganz besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn die Überdruckquelle, die zur Versorgung des zweiten Teilraums mit Überdruck dient, durch eine

Gasrückführung aus dem wenigstens einen Gasventil und/oder dem

Speichervolumen ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass mit relativ geringem vorrichtungstechnischem Aufwand Gas zur Druckerhöhung in dem zweiten Teilraum verwendet werden kann, das beispielsweise bei Entlüften eines Rails während Lastwechseln oder während der Abkühlphase einer möglichen außenliegenden Pumpe anfällt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in der einzigen Figur eine schematische Darstellung eines Systems zur Gaseinblasung von gasförmigem Kraftstoff in den Ansaugtrakt oder den Brennraum einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines Gasventils.

In der Figur ist ein System 100 dargestellt, das der Versorgung eines

Ansaugtrakts 5 oder eines Brennraums einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Kraftstoff dient. Unter gasförmigem Kraftstoff wird beispielhaft, und nicht einschränkend, ein Gas wie Wasserstoff oder Erdgas verstanden. Das System 100 weist einen Tankbehälter 10 zur Speicherung des Kraftstoffs 1 auf. Insbesondere wird der Kraftstoff 1 innerhalb des Tankbehälters 10 derart heruntergekühlt bzw. mit einer derart geringen Temperatur bevorratet, dass dieser in flüssiger Form vorliegt.

Der Tankbehälter 10 umfasst einen Innentank 11 , der mit Abstand von einem Außenmantel 12 vollständig umschlossen ist. Der Zwischenraum 13 zwischen dem Innentank 11 und dem Außenmantel 12 kann beispielsweise auf an sich bekannte, und daher nicht erfindungswesentliche Art und Weise evakuiert sein, um den Innentank 11 gegenüber der Umgebung zu isolieren bzw. einen

Wärmeübergang von der Umgebung in Richtung des Innentanks 11 zumindest zu reduzieren. Über eine Zuführleitung 15 kann der flüssige Kraftstoff 1 in den Tankbehälter 10 eingespeist werden.

Der Innentank 11 weist eine beispielhaft senkrecht zur Zeichenebene der Figur verlaufende Trennwand 18 auf, die den Innentank 1 1 in zwei Teilräume 21 , 22 unterteilt. Die Anordnung der Trennwand 18 innerhalb des Innentanks 11 ist derart, dass das Volumen des ersten Teilraums 21 größer ist als das Volumen des zweiten Teilraums 22. Während der erste Teilraum 21 der Speicherung bzw. Bevorratung des Kraftstoffs 1 dient, dient der zweite Teilraum 22 insbesondere einem Druck- oder Volumenaustausch, wenn sich der in dem ersten Teilraum 21 befindliche Kraftstoff 1 erwärmt und dabei ausdehnt. Hierzu ist es vorgesehen, dass in einem Abschnitt der Trennwand 18, der oberhalb des Füllpegels 23 des (flüssigen) Kraftstoffs 1 im ersten Teilraum 21 ist, in der Trennwand 18 eine Verbindung 25 mit integriertem Rückschlagventil 26 ausgebildet ist. Die

Anordnung des Rückschlagventils 26 ist derart, dass gasförmige Bestandteile des Kraftstoffs 1 aus dem ersten Teilraum 21 in den zweiten Teilraum 22 gelangen können, jedoch nicht umgekehrt.

Weiterhin ist im Bodenbereich des Innentanks 11 , in dessen Bereich im ersten Teilraum 21 flüssiger Kraftstoff 1 vorhanden ist, in der Trennwand 18 eine weitere Verbindung 28 angeordnet, die in Form einer Leitung 29 ausgebildet ist. Die Leitung 29 ist mit einer Einrichtung 30 zur Förderung von Kraftstoff aus dem Tankbehälter 10 in ein Speichervolumen 50, insbesondere ein Rail, des Systems 100 verbunden. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Einrichtung 30 in Form einer Strahlpumpe 31 ausgebildet ist. Über ein weiteres Rückschlagventil 32 in der Verbindung zwischen der Einrichtung 30 und dem Speichervolumen 50 ist sichergestellt, dass Kraftstoff 1 aus dem Speichervolumen 50 nicht in Richtung der Einrichtung 30 rückströmen kann. In der Figur ist darüber hinaus dargestellt, dass über die Verbindung 25 in der

Trennwand 18 aus dem ersten Teilraum 21 in den zweiten Teilraum 22 überströmende gasförmige Bestandteile des Kraftstoffs 1 innerhalb des zweiten Teilraums 22 kondensiert sind, derart, dass die Einrichtung 30 von dem verflüssigten Kraftstoff 1 im zweiten Teilraum 22 überdeckt ist. Der Füllpegel 33 des Kraftstoffs 1 im zweiten Teilraum 22 ist unterhalb des Füllpegels 23 im ersten

Teilraum 21.

In den zweiten Teilraum 22 mündet eine Überdruckleitung 35, die unter

Zwischenschaltung eines Überdruckventils 36 und eines weiteren

Rückschlagventils 37 beispielhaft mit einem Gasventil 40 gekoppelt ist. Das

Gasventil 40 stellt im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Überdruckquelle 45 dar, über die bei einem Gaseinblasvorgang durch das Gasventil 40 nicht benötigtes, unter hohem Druck stehendes Gas bzw. Kraftstoff 1 in den zweiten Teilraum 22 rückgeführt werden kann, um den Druck bzw. Gasdruck in dem zweiten Teilraum 22 zu erhöhen. Insbesondere kann der in dem zweiten

Teilraum 22 dadurch herrschende erhöhte Druck dazu genutzt werden, den in dem zweiten Teilraum 22 oder in dem ersten Teilraum 21 befindlichen Kraftstoff 1 in Richtung des Speichervolumens 50 mittels der Einrichtung 30 zu fördern. Zusätzlich ist in der Figur eine weitere Rückführleitung 41 eingezeichnet, die das

Speichervolumen 50 mit dem weiteren Rückschlagventil 37 verbindet. Auch über die Rückführleitung 41 kann somit durch Ausleiten von unter hohem Druck stehenden Gas aus dem Speichervolumen 50 in die Überdruckleitung 35 Gas in den zweiten Teilraum 22 rückgeführt werden, um den Druck in dem zweiten Teilraum 22 zu erhöhen. Somit bildet auch das Speichervolumen 50 eine

Überdruckquelle 45 aus

Der soweit beschriebene Tankbehälter 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken

abzuweichen. Dieser besteht darin, einen in dem Tankbehälter 10 vorhandenen zweiten Teilraum 22, der üblicherweise (ausschließlich) zum Druckausgleich mit Blick auf einen ersten Teilraum 21 verwendet wird, derart unter erhöhten Druck zu setzen, dass damit eine Förderung von Kraftstoff 1 aus dem Tankbehälter 10 ermöglicht wird.