DE102018200075A1

DE102018200075A1 - Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe, Verfahren zum Betreiben einer Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe

Info

Publication number: DE102018200075A1
Application number: DE102018200075.1A
Authority: DE
Inventors: Frank Zehnder; Dirk Schnittger; Andreas Beiter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-04
Filing date: 2018-01-04
Publication date: 2019-07-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe, umfassend eine Kolbenpumpe (1) zur Förderung des kryogenen Kraftstoffs auf Hochdruck, wobei die Kolbenpumpe (1) einen hin und her beweglichen Pumpenkolben (2) aufweist, der einerseits einen Kompressionsraum (3) und andererseits einen Kopplerraum (4) begrenzt, das über eine Druckleitung (5) mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar ist. Erfindungsgemäß ist zur Beaufschlagung des Kopplerraums (4) mit dem hydraulischen Druckmittel eine Hydraulikpumpe (6) vorgesehen, die druckseitig über die Druckleitung (5) in ständiger Verbindung mit dem Kopplerraum (4) steht und in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Schaltventils (7) das hydraulische Druckmittel in den Kopplerraum (4) oder zurück in ein Speichervolumen (8) für das hydraulische Druckmittel fördert.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.
Bei dem kryogenen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas („Natural Gas“ = NG) handeln, das an Bord eines Kraftfahrzeugs zum Betreiben einer Brennkraftmaschine in flüssiger Form („Liquefied Natural Gas“ = LNG) in einem speziell dafür ausgelegten Tank bevorratet wird.
Stand der Technik
Aus der EP 2 541 062 A1 ist eine Kolbenpumpe für kryogene Kraftstoffe, insbesondere für Erdgas, mit einem hin und her beweglichen Pumpenkolben bekannt. Der Pumpenkolben 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 Kopplerraum, der mit einem hydraulischen Druckmittel befüllbar ist, um den Pumpenkolben in einer Hubbewegung anzutreiben. Alternativ wird ein elektrischer, pneumatischer oder mechanischer Antrieb vorgeschlagen.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe mit einer als Kolbenpumpe ausgeführten Kraftstoffhochdruckpumpe anzugeben, deren Fördermenge bedarfsgerecht einstellbar ist.
Zur Lösung der Aufgabe werden die Kraftstofffördereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 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, wobei die Kolbenpumpe einen hin und her beweglichen Pumpenkolben aufweist, der einerseits einen Kompressionsraum und andererseits einen Kopplerraum begrenzt, das über eine Druckleitung mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar ist. Erfindungsgemäß ist zur Beaufschlagung des Kopplerraums mit dem hydraulischen Druckmittel eine Hydraulikpumpe vorgesehen, die druckseitig über die Druckleitung in ständiger Verbindung mit dem Kopplerraum steht und in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Schaltventils das hydraulische Druckmittel in den Kopplerraum oder zurück in ein Speichervolumen für das hydraulische Druckmittel fördert. Über das Schaltventil kann somit die Beaufschlagung des Kopplerraums mit dem hydraulischen Druckmittel und damit die Hubbewegung des Pumpenkolbens der Kolbenpumpe gesteuert werden. Auf diese Weise ermöglicht das Schaltventil eine bedarfsgerechte Einstellung der Fördermenge der Kolbenpumpe. Wird die von der Hydraulikpumpe geförderte Menge nicht zum Antrieb der Kolbenpumpe benötigt, wird es über das geöffnete Schaltventil zurück in das Speichervolumen geführt.
Die vorgeschlagene Kraftstofffördereinrichtung besitzt den Vorteil, dass die Hydraulikpumpe, beispielsweise über eine Hydraulikpumpennockenwelle, mit einer Brennkraftmaschine mechanisch koppelbar ist (z. B. mittels Power Take Off). Die Förderleistung der Hydraulikpumpe hängt dann von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ab, wobei zwischen der Hydraulikpumpe und der Brennkraftmaschine eine Übersetzungsstufe mit festem Übersetzungsverhältnis geschaltet sein kann.
Das Schaltventil zum Steuern der Fördermenge der Kolbenpumpe kann zu Beginn, während oder kurz vor dem Ende eines Förderhubs der Hydraulikpumpe geöffnet werden. Je später das Schaltventil geöffnet wird, desto mehr Druckmittel gelangt in den Kopplerraum. Bleibt das Schaltventil geschlossen, wird die gesamte Fördermenge der Hydraulikpumpe dem Kopplerraum zugeführt.
Bei dem Speichervolumen für das hydraulische Druckmittel kann es sich um einen Tank zur Bevorratung des hydraulischen Druckmittels handeln. Darüber hinaus kann aber auch das Kurbelwellengehäuse der Brennkraftmaschine als Speichervolumen für das hydraulische Druckmittel dienen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Hydraulikpumpe ebenfalls als Kolbenpumpe ausgeführt. Der Antrieb der Hydraulikpumpe kann in diesem Fall über eine Nockenwelle erfolgen, die mit der Brennkraftmaschine koppelbar ist. Anstelle eines Nockentriebs kann auch ein Kurbeltrieb zum Antrieben der Hydraulikpumpe verwendet werden.
Das hydraulische Druckmittel ist vorzugsweise ein Öl, insbesondere ein Motoröl. Das hydraulische Druckmittel kann somit zugleich als Schmiermittel eingesetzt werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Hydraulikpumpe über eine Versorgungsleitung mit der Druckseite einer Vorförderpumpe für das hydraulische Druckmittel verbunden ist. Die Vorförderpumpe gleicht Leckagen im System aus und stellt somit sicher, dass die Hydraulikpumpe im Saugbetrieb möglichst vollständig mit dem Druckmittel befüllt wird. Um ein Rückströmen des Druckmittels aus der Hydraulikpumpe in Richtung der Vorförderpumpe zu verhindern, ist vorzugsweise in der Versorgungsleitung ein Rückschlagventil angeordnet.
Vorteilhafterweise ist die Hydraulikpumpe über die Versorgungsleitung an einen Motorölkreislauf angeschlossen, der die Vorförderpumpe und das Speichervolumen umfasst. Das heißt, dass auf bereits vorhandene Komponenten zurückgegriffen werden kann, wodurch der Bauraumbedarf sinkt und sich die Kosten verringern. Da der Motorölkreislauf in der Regel weitere Komponenten, wie beispielsweise einen Filter, einen Kühler und/oder ein Druckbegrenzungsventil umfasst, können diese ebenfalls mitgenutzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mündet die Versorgungsleitung zur Versorgung der Hydraulikpumpe mit dem hydraulischen Druckmittel in einen Triebwerksraum der Hydraulikpumpe, der über eine Saugleitung mit einem Pumpenarbeitsraum der Hydraulikpumpe verbunden ist. Die Befüllung des Pumpenarbeitsraums der Hydraulikpumpe erfolgt demnach über den Triebwerksraum. Dies hat den Vorteil, dass im Saugbetrieb der Hydraulikpumpe der Pumpenkolben hydraulisches Druckmittel aus dem Triebwerksraum verdrängt und in den Pumpenarbeitsraum fördert. Auf diese Weise wird die Befüllung des Pumpenarbeitsraums optimiert.
Bevorzugt umfasst der Pumpenkolben der Kolbenpumpe mehrere Teile und/oder mehrere Abschnitte, die unterschiedliche Außendurchmesser aufweisen. Die mehrteilige Ausführung erleichtert die Montage der Kolbenpumpe. Die mehreren Teile bzw. Abschnitte können zudem unterschiedliche Funktionen übernehmen, wobei der Außendurchmesser an die jeweilige Funktion angepasst werden kann.
Sofern der Pumpenkolben mehrere Teile umfasst bzw. mehrteilig ausgeführt ist, müssen die mehreren Teile nicht zwingend fest miteinander verbunden sein. Beispielsweise können die mehreren Teile in der Weise gekoppelt sein, dass sie sich relativ zueinander bewegen können.
Ferner bevorzugt ist der Pumpenkolben der Kolbenpumpe in Richtung des Kopplerraums von der Federkraft einer Feder beaufschlagt. Die Feder dient der Rückstellung des Pumpenkolbens, da ihre Wirkrichtung der auf den Pumpenkolben wirkenden hydraulischen Druckkraft entgegengesetzt ist. Vorzugsweise ist die Feder eine Schraubendruckfeder, die den Pumpenkolben abschnittsweise umgibt und an einem radial vorspringenden Abschnitt oder Teil des Pumpenkolbens axial abgestützt ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass von der Kolbenpumpe eine Leckageleitung in das Speichervolumen für das hydraulische Druckmittel führt. Auf diese Weise bleibt die rückgeführte Leckagemenge dem System erhalten.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe vorgeschlagen. Die Kraftstofffördereinrichtung umfasst eine Kolbenpumpe mit einem hin und her beweglichen Pumpenkolben, der über einen Kopplerraum und eine Druckleitung mit einem Pumpenkolben einer Hydraulikpumpe hydraulisch gekoppelt ist. Erfindungsgemäß wird zur Einstellung der Fördermenge der Kolbenpumpe während eines Förderhubs der Hydraulikpumpe ein Schaltventil geöffnet und durch Öffnen des Schaltventils eine Verbindung der Druckleitung mit einem Speichervolumen für das hydraulische Druckmittel hergestellt.
Das heißt, dass bei geöffnetem Schaltventil der Hub des Pumpenkolbens der Hydraulikpumpe keinen Hub des Pumpenkolbens der Kolbenpumpe bewirkt, da das hydraulische Druckmittel nicht in den Kopplerraum, sondern in das Speichervolumen gefördert wird. Je später das Schaltventil geschlossen wird, desto weniger Druckmittel gelangt in den Kopplerraum. Bleibt das Schaltventil über den gesamten Förderhub der Hydraulikpumpe geöffnet, wird keine Menge über die Kolbenpumpe gefördert. Um die maximale Fördermenge der Kolbenpumpe zu erreichen, muss das Schaltventil über den gesamten Förderhub der Hydraulikpumpe geschlossen bleiben.
Das heißt, dass zwar eine hydraulische Kopplung des Pumpenkolbens der Kolbenpumpe mit dem Pumpenkolben der Hydraulikpumpe gegeben ist, die Kopplung jedoch zeitweise durch Öffnen des Schaltventils unterbrochen werden kann, so dass sich die beiden Pumpenkolben nicht mehr synchron bewegen. Auf diese Weise ist es möglich, die Fördermenge der Kolbenpumpe bedarfsgerecht einzustellen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform und
2 einen schematischen Längsschnitt durch eine Hochdruckpumpe einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung dient der Versorgung einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs mit einem kryogenen Kraftstoff, wobei es sich insbesondere um Erdgas handeln kann. Die Kraftstofffördereinrichtung umfasst eine Kolbenpumpe 1, mittels welcher der Kraftstoff auf Hochdruck gefördert wird. Die Kolbenpumpe 1 weist einen hin und her beweglichen Pumpenkolben 2 auf, der einen Kompressionsraum 3 begrenzt, in dem der Kraftstoff verdichtet wird. Über einen Zulauf 21 ist der Kompressionsraum 3 mit Kraftstoff befüllbar. Der verdichtete Kraftstoff verlässt den Kompressionsraum 3 über einen Hochdruckabgang 22. Ferner ist ein Rücklauf 23 vorgesehen, der die Kolbenpumpe 1 mit einem Tank (nicht dargestellt) verbindet, in dem der Kraftstoff bevorratet wird.
Der Pumpenkolben 2 der Kolbenpumpe 1 begrenzt andernends einen Kopplerraum 4, der über eine Druckleitung 5 mit einem Pumpenarbeitsraum 15 einer Hydraulikpumpe 6 verbunden ist. Der Pumpenarbeitsraum 15 der Hydraulikpumpe 6 wird durch einen Pumpenkolben 16 begrenzt, so dass dieser mit dem Pumpenkolben 2 der Kolbenpumpe 1 hydraulisch gekoppelt ist. Die Druckleitung 5 ist zudem über ein Schaltventil 7 mit einem Speichervolumen 8 verbunden, in dem ein hydraulisches Druckmittel bevorratet wird. In Offenstellung des Schaltventils 7 (siehe 1) fördert die Hydraulikpumpe 6 in das Speichervolumen 8, so dass die hydraulische Kopplung mit dem Pumpenkolben 2 der Kolbenpumpe 1 aufgehoben ist.
Das Schaltventil 7 kann als stromlos offenes oder als stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt sein.
Sofern es sich um ein stromlos offenes Ventil handelt, ist in der 1 das Schaltventil 7 unbestromt dargestellt, da eine Verbindung der Druckleitung 5 mit dem Speichervolumen 8 besteht. Das heißt, dass die Hydraulikpumpe 6 über das Schaltventil 7 in das Speichervolumen 8 fördert. Die Kolbenpumpe 1 fördert nicht, da die hydraulische Kopplung der Pumpenkolben 2 und 16 aufgehoben ist.
Wird das Schaltventil 7 bestromt, wird die Verbindung der Druckleitung 5 mit dem Speichervolumen 8 unterbrochen und die hydraulische Kopplung ist wiederhergestellt, so dass sich die beiden Pumpenkolben 2, 16 weitgehend synchron zueinander bewegen. Das heißt, dass die Kolbenpumpe 1 Kraftstoff fördert.
Um die Fördermenge der Kolbenpumpe 1 bedarfsgerecht einzustellen, kann das Schaltventil 7 lediglich zweitweise während des Förderhubs der Hydraulikpumpe 6 bestromt werden, so dass die hydraulische Kopplung nur über einen Teilhub der Hydraulikpumpe 6 besteht. Entsprechend verringert sich die Fördermenge der Kolbenpumpe 1. Die Fördermenge der Kolbenpumpe 1 ist demnach abhängig vom Zeitpunkt, wann das Schaltventil 7 während des Förderhubs der Hydraulikpumpe 6 bestromt bzw. geöffnet wird.
Im Saugbetrieb fließt das hydraulische Druckmittel, wobei es sich insbesondere um Motoröl handeln kann, aus dem Kopplerraum 4 über die Druckleitung 5 zurück zur Hydraulikpumpe 6. Um Leckagen auszugleichen, kann der Hydraulikpumpe 6 mittels einer Vorförderpumpe 10 über eine Versorgungsleitung 9 frisches Druckmittel zugeführt werden. Die Vorförderpumpe 10 stellt auf diese Weise sicher, dass die Hydraulikpumpe 6 im Saugbetrieb vollständig befüllt wird. Um ein Rückströmen von Druckmittel zu verhindern, ist in der Versorgungsleitung 9 ein Rückschlagventil 11 angeordnet.
Die Vorförderpumpe 10 und das Speichervolumen 8 können - wie beispielhaft in der 1 dargestellt - Komponenten eines Motorölkreislaufs 12 sein, der darüber hinaus einen Filter 17, einen Kühler 18 und ein Druckbegrenzungsventil 19 umfassen kann. Der Rückgriff auf bereits vorhandene Komponenten spart Bauraum und Kosten. Die Kolbenpumpe 1 ist über eine Leckageleitung 24, welche in das Speichervolumen 8 führt, ebenfalls an den Motorölkreislauf 12 angeschlossen, so dass keine Menge verlorengeht.
Die Rückstellung des Pumpenkolbens 2 der Kolbenpumpe 1 wird durch eine Feder 20 bewirkt bzw. unterstützt, die als Schraubendruckfeder ausgeführt ist und den Pumpenkolben 2 abschnittsweise umgibt.
Der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung zu entnehmen. Die Kolbenpumpe 1 zur Förderung des kryogenen Kraftstoffs auf Hochdruck unterscheidet sich nicht von der der 1. Auch der Motorölkreislauf 12 gleicht dem der 1. Lediglich die Versorgung der Hydraulikpumpe 6 mit dem Motoröl erfolgt nicht direkt über eine an den Motorölkreislauf 12 angeschlossene Saugleitung 14, sondern indirekt über einen Triebwerksraum 13 der Hydraulikpumpe 6. Im Saugbetrieb der Hydraulikpumpe 6 verdrängt der Pumpenkolben 16 das Motoröl aus dem Triebwerksraum 13 und fördert es über die Saugleitung 14 in den Pumpenarbeitsraum 15. Auf diese Weise unterstützt der Pumpenkolben 16 die Befüllung des Pumpenarbeitsraums 15.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2541062 A1 [0003]

Claims

Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe, umfassend eine Kolbenpumpe (1) zur Förderung des kryogenen Kraftstoffs auf Hochdruck, wobei die Kolbenpumpe (1) einen hin und her beweglichen Pumpenkolben (2) aufweist, der einerseits einen Kompressionsraum (3) und andererseits einen Kopplerraum (4) begrenzt, der über eine Druckleitung (5) mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beaufschlagung des Kopplerraums (4) mit dem hydraulischen Druckmittel eine Hydraulikpumpe (6) vorgesehen ist, die druckseitig über die Druckleitung (5) in ständiger Verbindung mit dem Kopplerraum (4) steht und in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Schaltventils (7) das hydraulische Druckmittel in den Kopplerraum (4) oder zurück in ein Speichervolumen (8) für das hydraulische Druckmittel fördert.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikpumpe (6) als Kolbenpumpe ausgeführt ist und/oder das hydraulische Druckmittel ein Öl, insbesondere Motoröl, ist.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikpumpe (6) über eine Versorgungsleitung (9) mit der Druckseite einer Vorförderpumpe (10) für das hydraulische Druckmittel verbunden ist, wobei vorzugsweise in der Versorgungsleitung (9) ein Rückschlagventil (11) angeordnet ist.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikpumpe (6) über die Versorgungsleitung (9) an einen Motorölkreislauf (12) angeschlossen ist, der die Vorförderpumpe (10) und das Speichervolumen (8) umfasst.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (9) in einen Triebwerksraum (13) der Hydraulikpumpe (6) mündet, der über eine Saugleitung (14) mit einem Pumpenarbeitsraum (15) der Hydraulikpumpe (6) verbunden ist.
Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenkolben (2) der Kolbenpumpe (1) mehrere Teile und/oder mehrere Abschnitte umfasst, die unterschiedliche Außendurchmesser aufweisen.
Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenkolben (2) der Kolbenpumpe (1) in Richtung des Kopplerraums (4) von der Federkraft einer Feder (20) beaufschlagt ist.
Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Kolbenpumpe (1) eine Leckageleitung (24) in das Speichervolumen (8) für das hydraulische Druckmittel führt.
Verfahren zum Betreiben einer Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe, umfassend eine Kolbenpumpe (1) mit einem hin und her beweglichen Pumpenkolben (2), der über einen Kopplerraum (4) und eine Druckleitung (5) mit einem Pumpenkolben (16) einer Hydraulikpumpe (6) hydraulisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Fördermenge der Kolbenpumpe (1) während eines Förderhubs der Hydraulikpumpe (6) ein Schaltventil (7) geöffnet wird, so dass eine Verbindung der Druckleitung (5) mit einem Speichervolumen (8) für das hydraulische Druckmittel hergestellt wird.