DE102017201746A1 - Tankvorrichtung und damit ausgestattetes Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung eines Fahrzeugs zum Betanken mit gasförmigem Brennstoff, umfassend eine Gehäuse mit einer darin angeordneten Gasführung für den gasförmigen Brennstoff, einen Ventilsitz in der Gasführung, einen Ventilkörper, der in Schließrichtung auf den Ventilsitz und in Öffnungsrichtung vom Ventilsitz weg bewegbar ist, einen ansteuerbaren Aktuator und ein durch den Aktuator bewegbares Betätigungselement zum Beaufschlagen des Ventilkörpers in Schließrichtung.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Tankvorrichtung in einem Fahrzeug zum Betanken des Fahrzeugs mit gasförmigem Brennstoff.
  • Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Fahrzeuge bekannt, die mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben werden. Die Fahrzeuge umfassen einen Druckbehälter zur Bevorratung des Brennstoffs. Der Brennstoff ist unter Umgebungsbedingungen gasförmig. Beispielsweise handelt es sich bei dem Brennstoff um komprimiertes („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtes (LNG) Erdgas oder Wasserstoff. Die entsprechenden Tankvorrichtungen der Fahrzeuge weisen einen standardisierten Tanknippel auf, an den eine tankstellenseitige Füllkupplung angeschlossen werden kann. Üblicherweise ist in den Tankvorrichtungen der Fahrzeuge ein Rückschlagventil angeordnet. Das Rückschlagventil öffnet, wenn der von der Füllkupplung kommende Druck groß genug ist.
  • 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. Insbesondere soll eine Tankvorrichtung angegeben werden, die ein sicheres Betanken eines Fahrzeugs mit gasförmigem Brennstoff ermöglicht. 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.
  • Somit wird die Aufgabe gelöst durch eine Tankvorrichtung eines Fahrzeugs, die für eine Betankung eines Fahrzeugs mit gasförmigem Brennstoff ausgebildet ist. Über die Tankvorrichtung erfolgt das Einfüllen des gasförmigen Brennstoffs in einen Druckbehälter im Fahrzeug. Bei dem Brennstoff handelt es sich insbesondere um komprimiertes („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtes (LNG) Erdgas oder Wasserstoff.
  • Die Tankvorrichtung umfasst ein Gehäuse und eine im Gehäuse angeordnete Gasführung. Die Gasführung kann durch entsprechende Kanäle oder Leitungen gebildet sein, die sich direkt im Gehäuse oder in darin eingesetzten Elementen befinden. Bei der Betankung strömt der gasförmige Brennstoff durch diese Gasführung.
  • Des Weiteren umfasst die Tankvorrichtung einen Ventilsitz und einen Ventilkörper. In der geschlossenen Position sitzt der Ventilkörper auf dem Ventilsitz und verschließt somit die Gasführung. Insbesondere befinden sich der Ventilsitz und der Ventilkörper in dem Gehäuse. Der Ventilkörper ist in einer Schließrichtung und einer entgegengesetzten Öffnungsrichtung bewegbar. In der Schließrichtung bewegt sich der Ventilkörper in Richtung des Ventilsitzes. In der Öffnungsrichtung bewegt sich der Ventilkörper vom Ventilsitz weg. Der Ventilkörper ist insbesondere durch einen entsprechenden Druck des einströmenden Brennstoffs in Öffnungsrichtung bewegbar.
  • Darüber hinaus umfasst die Tankvorrichtung einen ansteuerbaren Aktuator und ein durch den Aktuator bewegbares Betätigungselement. Das Betätigungselement beaufschlagt den Ventilkörper in Schließrichtung. Solange der Aktuator das Betätigungselement in Schließrichtung beaufschlagt, liegt der Ventilkörper am Ventilsitz an und die Gasführung ist geschlossen. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Rückschlagventil ermöglicht es der hier verwendete Aktuator mit dem Betätigungselement, unabhängig vom Druck des einströmenden Brennstoffs die Gasführung zu schließen. So kann durch Ansteuerung des Aktuators die Betankung vom Fahrzeug freigegeben bzw. unterbrochen oder abgebrochen werden, wodurch sich die Sicherheit beim Betanken erhöht.
  • In einer bevorzugten Variante ist der Aktuator zur elektromechanischen Betätigung des Betätigungselements ausgebildet. Insbesondere umfasst der Aktuator hierzu eine bestrombare Spule und einen durch die bestromte Spule bewegbaren Eisenkern. Der Eisenkern ist direkt oder indirekt mit dem Betätigungselement verbunden.
  • In einer alternativen Ausgestaltung ist der Aktuator zur hydraulischen oder pneumatischen Krafterzeugung ausgebildet.
  • Für die Verbindung zwischen Aktuator und Betätigungselement sind insbesondere zwei Varianten vorgesehen: Gemäß der ersten Variante ist bevorzugt vorgesehen, dass der Aktuator bezüglich der Schließrichtung und der Öffnungsrichtung mit dem Betätigungselement verbunden ist, sodass der Aktuator das Betätigungselement sowohl in Schließrichtung als auch in Öffnungsrichtung bewegen kann. Gemäß der zweiten Variante liegt der Aktuator lediglich am Betätigungselement an und drückt das Betätigungselement in Schließrichtung, wobei der Aktuator das Betätigungselement nicht in Öffnungsrichtung ziehen kann. Die Bewegung des Betätigungselements in Öffnungsrichtung erfolgt dann beispielsweise durch den Druck des einströmenden Brennstoffs, der auf den Ventilkörper und somit auch auf das Betätigungselement in Öffnungsrichtung wirkt.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Betätigungselement mit dem Ventilkörper nicht fest verbunden ist, sondern lediglich am Ventilkörper anliegt. Bei der Bewegung des Betätigungselements in Schließrichtung drückt das Betätigungselement gegen den Ventilkörper. Dadurch, dass das Betätigungselement lediglich am Ventilkörper anliegt, kann der Ventilkörper in Schließrichtung vom Betätigungselement abheben und auch anderweitig geschlossen werden. Für dieses anderweitige schließen ist insbesondere ein erstes elastisches Element vorgesehen. Das erste elastische Element ist insbesondere als Feder ausgebildet. Das erste elastische Element beaufschlagt den Ventilkörper in Schließrichtung zum Schließen des Ventilkörpers unabhängig von der Stellung des Betätigungselements.
  • Das erste elastische Element, der Ventilkörper und der Ventilsitz bilden ein Rückschlagventil, dass die Gasführung bei einem Druckabfall des einströmenden Brennstoffs schließt. Der hier vorgestellte Aktuator mit dem Betätigungselement ermöglicht es, den Ventilkörper unabhängig von dem Druck des einströmenden Brennstoffs zu schließen.
  • Vorzugsweise ist ein zweites elastisches Element, insbesondere ausgebildet als Feder, vorgesehen. Das zweite elastische Element beaufschlagt das Betätigungselement in Schließrichtung und unterstützt somit die Kraft des Aktuators.
  • Vorzugsweise umfasst die Tankvorrichtung eine Druckkammer. Diese Druckkammer ist insbesondere in dem Gehäuse ausgebildet. Die Druckkammer ist so angeordnet, dass sie das Betätigungselement in Schließrichtung beaufschlagt. Insbesondere ist das Betätigungselement zumindest abschnittsweise als Kolben ausgebildet. Dieser Kolben bewegt sich in der Druckkammer. In die Druckkammer führt eine Druckausgleichsleitung. Die Druckausgleichsleitung zweigt stromauf des Ventilsitzes von der Gasführung ab. So herrscht in der Druckausgleichsleitung und in der Druckkammer stets der Druck des einströmenden Brennstoffs, unabhängig davon, ob der Ventilkörper am Ventilsitz anliegt oder nicht.
  • Der Brennstoff kann mit relativ hohem Druck, beispielsweise im Bereich von 350 bar, in die Gasführung einströmen, wodurch der Ventilkörper und das Betätigungselement mit entsprechend hoher Kraft in Öffnungsrichtung beaufschlagt sind. Durch die Druckausgleichsleitung und die Druckkammer wird das Betätigungselement druckentlastet und der Aktuator kann mit relativ geringer Kraft das Betätigungselement und somit den Ventilkörper in Schließrichtung bewegen.
  • Das Betätigungselement ist vorzugsweise linearbeweglich im Gehäuse gelagert. Wie bereits beschrieben befinden sich auch der Ventilkörper und der Ventilsitz in dem Gehäuse. Des Weiteren ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Aktuator an oder in dem Gehäuse angeordnet ist. Dadurch ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau der Tankvorrichtung.
  • Besonders bevorzugt ist das Gehäuse stromauf des Ventilsitzes als Tanknippel ausgebildet. Der Tanknippel dient zum Anschließen einer tankstellenseitigen Füllkupplung. Der Tanknippel bildet somit den Anfang der im Gehäuse ausgebildeten Gasführung. Die Gasführung endet vorzugsweise mit einem Anschluss zum Anschließen einer weiterführenden Leitung zum Drucktank im Fahrzeug.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Fahrzeug. Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Straßenfahrzeug, beispielsweise einen PKW oder LKW. Das Fahrzeug umfasst für seinen Vortrieb insbesondere eine Brennstoffzelle oder einen Verbrennungsmotor, die mit dem gasförmigen Brennstoff betrieben werden. In dem Fahrzeug befinden sich ein Druckbehälter zur Bevorratung des gasförmigen Brennstoffs und die beschriebene Tankvorrichtungen. Die Gasführung der Tankvorrichtung ist mit dem Druckbehälter gasleitend verbunden.
  • Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, im Wesentlichen 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.
  • Insbesondere umfasst das Fahrzeug ein Steuergerät. Das Steuergerät ist zum Erfassen zumindest eines Zustands des Fahrzeugs ausgebildet. Des Weiteren ist das Steuergerät dazu ausgebildet, den Aktuator der Tankvorrichtung in Abhängigkeit des erfassten Zustands anzusteuern. Der Einfachheit halber wird hier von „einem“ Steuergerät gesprochen, wobei sich die Funktionen dieses Steuergeräts auch auf verschiedene Recheneinheiten des Fahrzeugs aufteilen können. Als „Zustand“ des Fahrzeugs wird beispielsweise erfasst, dass der Verbrennungsmotor oder die Brennstoffzelle des Fahrzeugs gestartet wird.
  • Daraufhin kann das Steuergerät mittels des Aktuators sofort die Betankung stoppen. Wie bereits beschrieben, befindet sich der Tanknippel der Tankvorrichtung unmittelbar am Gehäuse und somit direkt an dem absperrbaren Ventilsitz. Die Betankung kann somit direkt an der Schnittstelle zwischen Tankstelle und Fahrzeug unterbrochen werden.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines hier offenbarten Fahrzeugs mit der hier offenbarten Tankvorrichtung, und
    • 2 die hier offenbarte Tankverrichtungen im Detail.
  • 1 zeigt rein schematisch ein Fahrzeug 2 mit einer Tankvorrichtung 1. In dem Fahrzeug 2 befindet sich ein Druckbehälter 3 für gasförmigen Brennstoff. Die Tankvorrichtung 1 weist einen Tanknippel 7 zum Anschließen einer tankstellenseitigen Füllkupplung auf. Des Weiteren ist an der Tankvorrichtung 1 ein Anschluss 8 zum Verbinden mit dem Druckbehälter 3 ausgebildet. Über ein fahrzeugseitiges Steuergerät 4 ist die Tankvorrichtung 1 ansteuerbar.
  • 2 zeigt einen Halbschnitt der Tankvorrichtung 1. Die Tankvorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 5. In dem Gehäuse 5 und in weiteren im Gehäuse 5 angeordneten Elementen ist eine Gasführung 6 ausgebildet. Am Anfang der Gasführung 6 bildet das Gehäuse 5 den Tanknippel 7. Am Ende der Gasführung 6 befindet sich der Anschluss 8 für die weiterführende Leitung zum Drucktank 3.
  • In dem Gehäuse 5 befindet sich ein erster Einsatz 9, durch den die Gasführung 6 verläuft. Dieser erste Einsatz 9 kann auch einen Filter umfassen. Des Weiteren steckt in dem Gehäuse 5 ein zweiter Einsatz 14, der stromab des ersten Einsatzes 9 ebenfalls einen Abschnitt der Gasführung 6 bildet. Die beiden Einsätze 9, 14 sind nicht zwangsläufig nötig, sondern können auch durch integrale Bestandteile des Gehäuses 5 gebildet werden.
  • In dem Gehäuse 5, im gezeigten Beispiel am ersten Einsatz 9, ist ein Ventilsitz 10 ausgebildet. Im geschlossenen Zustand sitzt auf dem Ventilsitz 10 ein Ventilkörper 11 zum Absperren der Gasführung 6. Der Ventilkörper 11 ist in einer Schließrichtung 30 und in einer entgegengesetzten Öffnungsrichtung 31 linearbeweglich.
  • Im gezeigten Beispiel ist der Ventilkörper 11 durch eine Kugel 12 und eine Kugelaufnahme 13 gebildet.
  • Ein erstes elastisches Element 15, hier ausgebildet als erste Feder, ermöglicht im Wesentlichen die herkömmliche Funktion eines Rückschlagventils. Das erste elastische Element 15 stützt sich einerseits am Gehäuse 5, insbesondere am zweiten Einsatz 14, und andererseits an Ventilkörper 11, insbesondere der Kugelaufnahme 13, ab. Das erste elastische Element 15 beaufschlagt den Ventilkörper 11 in Schließrichtung 30.
  • Des Weiteren umfasst die Tankvorrichtung 1 einen Aktuator 16, der im gezeigten Beispiel in das Gehäuse 5 integriert ist. Der Aktuator 16 wirkt hier elektromechanisch und umfasst eine ansteuerbare Spule 17, einen Eisenkern 18 und einen Stößel 19. Der Eisenkern 18 sitzt auf dem Stößel 19.
  • Der Stößel 19 wiederum liegt an einem Betätigungselement 24 an. Durch Bewegen des Stößels 19 in Schließrichtung 30 wird auch das Betätigungselement 24 linearbeweglich in Schließrichtung 30 bewegt. Im gezeigten Beispiel gemäß 2 liegt der Stößel 19 lediglich am Betätigungselement 24 an und kann somit das Betätigungselement 24 lediglich in Schließrichtung 30 drücken jedoch nicht in Öffnungsrichtung 31 ziehen. Alternativ zu der dargestellten Variante kann der Stößel 19 auch fest mit dem Betätigungselement 24 verbunden werden, sodass das Betätigungselement 24 über den Stößel 19 gezogen und geschoben werden kann. Des Weiteren ist es auch möglich, den Stößel 19 und/oder das Betätigungselement 24 und/oder den Eisenkern 18 zusammen als ein Bauteil auszugestalten.
  • Das Betätigungselement 24 wird über den Aktuator 16 in Schließrichtung 30 bewegt. Dadurch drückt bzw. schiebt das Betätigungselement 24 den Ventilkörper 11 in Schließrichtung 30. Im gezeigten Beispiel gemäß 2 liegt das Betätigungselement 24 an Ventilkörper 11, insbesondere an der Kugelaufnahme 13, an. Wenn sich das Betätigungselement 24 in der zurückgezogenen Position befindet, kann sich der Ventilkörper 11 unabhängig vom Betätigungselement 24 bewegen.
  • Gemäß 2 ist das Betätigungselement 24 als im Gehäuse 5 lineargeführter Kolben ausgebildet. Über entsprechende Dichtungen 22 ist der Kolben abgedichtet. Im Gehäuse 5 ist eine Druckkammer 21 angeordnet. Ein Anteil des Betätigungselements 24 ist in dieser Druckkammer 21 in Schließrichtung 30 beaufschlagbar. Stromauf des Ventilsitzes 10 zweigt von der Gasführung 6 eine Druckausgleichsleitung 23 ab. Die Druckausgleichsleitung 23 führt durch das Gehäuse 5 hindurch bis zur Druckkammer 21. Dadurch herrscht in der Druckkammer 21 der gleiche Druck wie am Anfang der Gasführung 6.
  • Ferner zeigt 2 ein zweites elastisches Element 20, ausgebildet als zweite Feder, zum Beaufschlagen des Betätigungselements 24 in Schließrichtung 30. Das zweite elastische Element 20 ist im gezeigten Beispiel in der Druckkammer 21 angeordnet.
  • Das in 1 gezeigte Steuergerät 4 dient zum Erfassen eines Zustandes des Fahrzeugs 2 und zum Ansteuern des Aktuators 16 in Abhängigkeit des erfassten Zustandes.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Tankvorrichtung
    2
    Fahrzeug
    3
    Druckbehälter
    4
    Steuergerät
    5
    Gehäuse
    6
    Gasführung
    7
    Tanknippel
    8
    Anschluss
    9
    erster Einsatz
    10
    Ventilsitz
    11
    Ventilkörper
    12
    Kugel
    13
    Kugelaufnahme
    14
    zweiter Einsatz
    15
    erstes elastisches Element, insbesondere erste Feder
    16
    Aktuator
    17
    Spule
    18
    Eisenkern
    19
    Stößel
    20
    zweites elastisches Element, insbesondere zweite Feder
    21
    Druckkammer
    22
    Dichtungen
    23
    Druckausgleichsleitung
    24
    Betätigungselement
    30
    Schließrichtung
    31
    Öffnungsrichtung

Claims (10)

  1. Tankvorrichtung (1) eines Fahrzeugs (2) zum Betanken mit gasförmigem Brennstoff, umfassend • eine Gehäuse (5) mit einer darin angeordneten Gasführung (6) für den gasförmigen Brennstoff, • einen Ventilsitz (10) in der Gasführung (6), • einen Ventilkörper (11), der in Schließrichtung (30) auf den Ventilsitz (10) und in Öffnungsrichtung (31) vom Ventilsitz (10) weg bewegbar ist, • einen ansteuerbaren Aktuator (16) und ein durch den Aktuator (16) bewegbares Betätigungselement (24) zum Beaufschlagen des Ventilkörpers (11) in Schließrichtung.
  2. Tankvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Aktuator (16) zur elektromechanischen oder hydraulischen oder pneumatischen Krafterzeugung ausgebildet ist.
  3. Tankvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Betätigungselement (24) am Ventilkörper (11) anliegt und in Schließrichtung (30) gegen den Ventilkörper (11) drückt.
  4. Tankvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend ein den Ventilkörper (11) in Schließrichtung (30) beaufschlagendes erstes elastisches Element (15), zum Schließen des Ventilkörpers (11) unabhängig von der Stellung des Betätigungselements (24).
  5. Tankvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend ein das Betätigungselement (24) in Schließrichtung (30) beaufschlagendes zweites elastisches Element (20).
  6. Tankvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend eine Druckkammer (21) zur Beaufschlagung des Betätigungselements (24) in Schließrichtung (30) und eine stromauf des Ventilsitzes (10) von der Gasführung (6) abzweigende Druckausgleichsleitung (23), die in die Druckkammer (21) mündet.
  7. Tankvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Betätigungselement (24) linearbeweglich in dem Gehäuse (5) gelagert ist.
  8. Tankvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (5) stromauf des Ventilsitzes (10) als Tanknippel (7) zum Anschließen einer tankstellenseitigen Füllkupplung ausgebildet ist.
  9. Fahrzeug (2), vorzugsweise Straßenfahrzeug, umfassend einen Druckbehälter (3) für gasförmigen Brennstoff und eine Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasführung (6) mit dem Druckbehälter (3) gasleitend verbunden ist.
  10. Fahrzeug nach Anspruch 9, umfassend eine Steuergerät (4) zum Erfassen zumindest eines Zustands des Fahrzeugs (2) und ausgebildet zum Ansteuern des Aktuators (16) in Abhängigkeit des erfassten Zustands.
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DE102022121886A1 (de) * 2022-08-30 2024-02-29 Voith Patent Gmbh Kraftstoffsystem für einen Drucktank zum Einbau in ein gasbetriebenes Fahrzeug

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