DE102024108881A1 - Method for producing a high-pressure tank for a motor vehicle, high-pressure tank for a motor vehicle and motor vehicle - Google Patents
Method for producing a high-pressure tank for a motor vehicle, high-pressure tank for a motor vehicle and motor vehicleInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks (10) für ein Kraftfahrzeug, mit den Schritten: Einlegen eines röhrenförmigen Einlegeelements (18) in einen von einer Tankhülle (12) umschlossenen Hohlraum (20), wobei ein Außendurchmesser des Einlegeelements (18) an dessen jeweiligen Enden (24) kleiner ist als in einem entlang der Längserstreckungsrichtung mittigen Bereich (26), und Anlegen des Einlegeelements (18) an eine den Hohlraum (20) begrenzende Innenwand (32) der Tankhülle (12) durch Innenhochdruckumformen des Einlegeelements (18), wodurch das Einlegeelement (18) ein Tankvolumen (34) begrenzt, in welchem ein Kraftstoff für das Kraftfahrzeug aufgenommen werden kann, wobei das Einlegeelement (18) die Innenwand (32) der Tankhülle (12) vollständig zum Tankvolumen (34) hin überdeckt. The invention relates to a method for producing a high-pressure tank (10) for a motor vehicle, comprising the steps of: inserting a tubular insert element (18) into a cavity (20) enclosed by a tank shell (12), wherein an outer diameter of the insert element (18) is smaller at its respective ends (24) than in a central region (26) along the longitudinal direction of extent, and applying the insert element (18) to an inner wall (32) of the tank shell (12) delimiting the cavity (20) by internal high-pressure forming of the insert element (18), whereby the insert element (18) delimits a tank volume (34) in which a fuel for the motor vehicle can be accommodated, wherein the insert element (18) completely covers the inner wall (32) of the tank shell (12) towards the tank volume (34).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks für ein Kraftfahrzeug, einen Hochdrucktank für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a method for producing a high-pressure tank for a motor vehicle, a high-pressure tank for a motor vehicle and a motor vehicle.
Die
Weiterhin ist aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, mittels welcher ein besonders stabiler und besonders gewichtsarmer Hochdrucktank für ein Kraftfahrzeug geschaffen werden kann.The object of the present invention is to provide a solution by means of which a particularly stable and particularly lightweight high-pressure tank for a motor vehicle can be created.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.This object is achieved according to the invention by the subject matter of the independent claims. Further possible embodiments of the invention are disclosed in the subclaims, the description, and the figures. Features, advantages, and possible embodiments presented in the description for one of the subject matter of the independent claims are to be regarded at least analogously as features, advantages, and possible embodiments of the respective subject matter of the other independent claims, as well as any possible combination of the subject matter of the independent claims, optionally in conjunction with one or more of the subclaims.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Der Hochdrucktank ist insbesondere dazu eingerichtet, einen Kraftstoff, insbesondere einen gasförmigen Kraftstoff, zu speichern. Der Hochdrucktank kann diesen gespeicherten Kraftstoff wiederum für eine Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs bereitstellen, wodurch das Kraftfahrzeug mittels des Kraftstoffs aus dem Hochdrucktank angetrieben werden kann. Insbesondere ist der Hochdrucktank dazu eingerichtet, den Kraftstoff bei einem Druck von wenigstens 100 Bar, insbesondere bei einem Druck von wenigstens 200 Bar, insbesondere einem Druck von wenigstens 600 Bar zu speichern. Im Rahmen des Verfahrens zum Herstellen des Hochdrucktanks wird ein röhrenförmiges Einlegeelement in einen von einer Tankhülle umschlossenen Hohlraum eingelegt. Hierbei ist ein Außendurchmesser des Einlegeelements an dessen jeweiligen Enden kleiner als in einem entlang der Längserstreckungsrichtung mittigen Bereich. Das bedeutet, dass das Einlegeelement die Form einer Zigarre aufweisen kann und somit in dem mittigen Bereich den größeren Außendurchmesser aufweist als an seinen jeweiligen Enden.The invention relates to a method for producing a high-pressure tank for a motor vehicle, in particular a motor vehicle, in particular a passenger car. The high-pressure tank is particularly designed to store a fuel, in particular a gaseous fuel. The high-pressure tank can, in turn, provide this stored fuel to a drive device of the motor vehicle, whereby the motor vehicle can be driven by means of the fuel from the high-pressure tank. In particular, the high-pressure tank is designed to store the fuel at a pressure of at least 100 bar, in particular at a pressure of at least 200 bar, in particular at a pressure of at least 600 bar. Within the scope of the method for producing the high-pressure tank, a tubular insert element is inserted into a cavity enclosed by a tank shell. An outer diameter of the insert element is smaller at its respective ends than in a central region along the longitudinal direction. This means that the insert element can have the shape of a cigar and thus has a larger outer diameter in the central region than at its respective ends.
Bei dem Verfahren ist es weiterhin vorgesehen, dass das Einlegeelement an eine den Hohlraum begrenzende Innenwand der Tankhülle durch Innenhochdruckumformen des Einlegeelements angelegt wird. Das in die Tankhülle eingelegte Einlegeelement wird somit im innerhalb des Hohlraums angeordneten Zustand innenhochdruckumgeformt, wodurch sich das Einlegeelement zumindest bereichsweise vergrößert und hierdurch innenseitig an die Tankhülle angelegt wird. Innenhochdruckumformung ist dem Hydroforming zuzurechnen und bedeutet das Umformen metallischer Rohre oder Hohlkörper im geschlossenen Formwerkzeug mittels Innendrucks. Von anderen wirkmedienbasierten Verfahren zur Umformung von metallischen Blechen unterscheidet sich das Innenhochdruckumformen dadurch, dass das Werkstück selbst weitestgehend die Dichthülle des Druckes bildet. Der Druck kann dann beispielsweise durch eine Wasser-Öl-Emulsion in den umzuformenden Hohlkörper eingebracht werden. Es wird somit das Einlegeelement durch das Innenhochdruckumformen in Anlage mit der Tankhülle gebracht. Das Einlegeelement begrenzt nach dem Innenhochdruckumformen ein Tankvolumen, in welchem der Kraftstoff für das Kraftfahrzeug aufgenommen werden kann. Durch das Innenhochdruckumformen kann das Einlegeelement besonders großflächig an die Innenseite der Tankhülle angelegt werden, wodurch erreicht werden kann, dass das Tankvolumen besonders groß ist, da ein Abstand zwischen der Tankhülle und dem Einlegeelement besonders gering ist. Dieses Tankvolumen ist somit sowohl von dem Einlegeelement als auch von der Tankhülle nach außen umschlossen. Hierbei bildet das Einlegeelement insbesondere eine Permeationsbarriere für den Kraftstoff und vermeidet somit ein Diffundieren des Kraftstoffs durch die Tankhülle aus dem Tankvolumen nach außen. Die Tankhülle dient dabei der Stabilität des Hochdrucktanks. Durch die zweischichtige Ausgestaltung des Hochdrucktanks mit dem Einlegeelement und der Tankhülle kann zum einen aufgrund der durch das Einlegeelement bereitgestellten Permeationsbarriere ein besonders sicheres Halten des Kraftstoffs in dem Tankvolumen gewährleistet werden und darüber hinaus die Tankhülle besonders dünn ausgestaltet werden, da die Tankhülle allein der Stabilisierung des Einlegeelements dient und nicht so dick zu gestalten ist, dass die Permeation des Kraftstoffs aus dem Tankvolumen heraus allein durch die Tankhülle verhindert wird. Es kann somit das Einlegeelement auf dessen Funktion als Permeationsbarriere hin optimiert werden und die Tankhülle auf deren Funktion als Stabilisierungselement für das Einlegeelement optimiert werden.The method further provides for the insert element to be applied to an inner wall of the tank shell bounding the cavity by internal high-pressure forming of the insert element. The insert element inserted into the tank shell is thus internally high-pressure formed while arranged within the cavity, whereby the insert element enlarges at least in some areas and is thereby applied internally to the tank shell. Internal high-pressure forming is classified as hydroforming and involves the forming of metal tubes or hollow bodies in a closed mold using internal pressure. Internal high-pressure forming differs from other media-based processes for forming metal sheet in that the workpiece itself largely forms the sealing shell for the pressure. The pressure can then be introduced into the hollow body to be formed, for example, using a water-oil emulsion. The insert element is thus brought into contact with the tank shell by internal high-pressure forming. After internal high-pressure forming, the insert element defines a tank volume in which the fuel for the vehicle can be held. Internal high-pressure forming allows the insert element to be applied to the inside of the tank shell over a particularly large area, resulting in a particularly large tank volume, as the distance between the tank shell and the insert element is particularly small. This tank volume is thus enclosed to the outside by both the insert element and the tank shell. In particular, the insert element forms a permeation barrier for the fuel, preventing the fuel from diffusing through the tank shell from the tank volume to the outside. The tank shell serves to stabilize the high-pressure tank. Due to the two-layer design of the high-pressure tank, With the insert element and the tank shell, the permeation barrier provided by the insert element ensures particularly secure retention of the fuel within the tank volume. Furthermore, the tank shell can be designed to be particularly thin, as the tank shell serves solely to stabilize the insert element and should not be so thick that the tank shell alone prevents the fuel from permeating out of the tank volume. Thus, the insert element can be optimized for its function as a permeation barrier, and the tank shell can be optimized for its function as a stabilizing element for the insert element.
Die Ausgestaltung des Einlegeelements mit dessen im mittigen Bereich größeren Außendurchmesser als an seinen jeweiligen Enden und somit der zigarrenförmigen Ausgestaltung ermöglicht, dass eine an wenigstens einem der Enden des Hochdrucktanks resultierende Portöffnung besonders klein ausgestaltet werden kann. Ein Portbereich des Hochdrucktanks kann infolgedessen besonders leicht und dünnwandig ausgestaltet werden. Weiterhin kann aufgrund der kleinen resultierenden Portöffnung von insbesondere zirka 30 Millimetern ein besonders kleiner Verschluss für die Portöffnung vorgesehen werden, welche infolgedessen besonders leicht ist und besonders geringe Materialkosten aufweist. Weiterhin kann aufgrund der besonders kleinen Portöffnung erreicht werden, dass eine Verschlussgewindegröße innerhalb zulassungsfähiger Norm- und Auslegungstabellen gewählt werden kann. Es ist insbesondere zusätzlich vorgesehen, dass ein Innendurchmesser des Einlegeelements im mittigen Bereich größer ist als im Bereich der jeweiligen Enden. Hierdurch kann erreicht werden, dass, insbesondere nach dem Innenhochdruckumformen unter Einhaltung vorgegebener maximaler physikalischer Dehnbarkeiten, das Tankvolumen aufgrund des besonders großen Innendurchmessers des Einlegeelements im mittigen Bereich besonders groß ist. Infolgedessen kann besonders viel Kraftstoff in dem Tankvolumen eingespeichert werden, während, wie bereits beschrieben, die Portöffnung des Hochdrucktanks besonders klein ist.The design of the insert element, with its larger outer diameter in the central region than at its respective ends and thus the cigar-shaped design, enables a port opening resulting at at least one of the ends of the high-pressure tank to be designed to be particularly small. As a result, a port area of the high-pressure tank can be designed to be particularly light and thin-walled. Furthermore, due to the small resulting port opening of approximately 30 millimeters in particular, a particularly small closure can be provided for the port opening, which is consequently particularly light and has particularly low material costs. Furthermore, due to the particularly small port opening, it is possible to select a closure thread size within approved standards and design tables. In particular, it is additionally provided that an inner diameter of the insert element is larger in the central region than in the region of the respective ends. This makes it possible to achieve a particularly large tank volume in the central region due to the particularly large inner diameter of the insert element, particularly after internal high-pressure forming while maintaining specified maximum physical extensibility. As a result, a particularly large amount of fuel can be stored in the tank volume, while, as already described, the port opening of the high-pressure tank is particularly small.
In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass als Einlegeelement ein Einlegeelement aus Edelstahl in die Tankhülle eingelegt wird. Edelstahl stellt eine besonders effiziente Permeationsbarriere für gasförmigen Kraftstoff, insbesondere für Wasserstoff als gasförmigem Kraftstoff, dar. Edelstahl hat jedoch insbesondere eine maximale physikalische Dehnbarkeit von 45 Prozent und kann somit beim Innenhochdruckumformen seinen Außendurchmesser auf maximal 145 Prozent erhöhen. Dadurch, dass das Einlegeelement in seinem mittigen Bereich den größeren Außendurchmesser aufweist im Vergleich zu seinen jeweiligen Enden, kann trotz der begrenzten Dehnbarkeit des Einlegeelements aufgrund des verwendeten Edelstahls erreicht werden, dass das Einlegeelement nach dem Innenhochdruckumformen im mittigen Bereich einen besonders großen Querschnitt aufweist und infolgedessen das Tankvolumen besonders groß ist, während die resultierende Portöffnung des Hochdrucktanks besonders klein gehalten werden kann. Große Portöffnungen sind mechanisch bei 700 Bar-Anwendungen kritisch, da hohe Wandstärken mit viel Masse und hohen Materialkosten benötigt werden. Je kleiner die Portöffnung des Hochdrucktanks gestaltet werden kann, desto geringer sind jeweilige benötigte Wandstärken des Einlegeelements beziehungsweise der Tankhülle im Bereich des Ports sowie eines für ein Verschließen der Portöffnung benötigten Verschlusses. Aufgrund der geringeren Wandstärken weisen der Verschluss beziehungsweise die Tankhülle beziehungsweise das Einlegeelement im Bereich des jeweiligen Ports eine besonders geringe Masse und infolgedessen besonders geringe Materialkosten auf.In a possible further development of the invention, a stainless steel insert is inserted into the tank shell as an insert element. Stainless steel represents a particularly efficient permeation barrier for gaseous fuel, in particular for hydrogen as a gaseous fuel. However, stainless steel has a maximum physical extensibility of 45 percent and can therefore increase its outer diameter to a maximum of 145 percent during internal high-pressure forming. Because the insert element has a larger outer diameter in its central region compared to its respective ends, despite the limited extensibility of the insert element due to the stainless steel used, it can be achieved that the insert element has a particularly large cross-section in the central region after internal high-pressure forming. As a result, the tank volume is particularly large, while the resulting port opening of the high-pressure tank can be kept particularly small. Large port openings are mechanically critical in 700 bar applications, as they require high wall thicknesses with high mass and high material costs. The smaller the port opening of the high-pressure tank can be designed, the lower the required wall thicknesses of the insert element or tank shell in the port area, as well as the closure required to close the port opening. Due to the smaller wall thicknesses, the closure, tank shell, or insert element in the port area have a particularly low mass and, consequently, particularly low material costs.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Einlegeelement in die Tankhülle, welche aus Stahl, insbesondere aus hochfestem Stahl, hergestellt ist, eingelegt wird. Das bedeutet, dass eine Tankhülle, welche aus Stahl, insbesondere hochfestem Stahl, hergestellt ist, für das Herstellen des Hochdrucktanks verwendet wird. Dadurch, dass die Tankhülle aus Stahl, insbesondere aus hochfestem Stahl, verwendet wird, weist der Hochdrucktank eine besonders große Stabilität auf.In a further possible embodiment of the invention, the insert element is inserted into the tank shell, which is made of steel, in particular high-strength steel. This means that a tank shell made of steel, in particular high-strength steel, is used to manufacture the high-pressure tank. Because the tank shell is made of steel, in particular high-strength steel, the high-pressure tank has particularly high stability.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass vor dem Innenhochdruckumformen die Tankhülle im Rahmen eines Hot-Spinning-Prozesses an ihren jeweiligen Enden umgeformt wird, wodurch der Außendurchmesser der Tankhülle an den Enden verringert wird. Das Hot-Spinning ist ein Metallbearbeitungsverfahren, bei dem die Tankhülle, insbesondere wenn als Tankhülle ein Rohr aus Metall umgeformt werden soll, mit hoher Geschwindigkeit gedreht und zu einem axialsymmetrischen Teil geformt wird. Durch das jeweilige Umformen der Enden der Tankhülle erhält die Tankhülle die Form einer Zigarre. Beim Hot-Spinning wird die Tankhülle gedreht, während diese stark erhitzt wird. Nach dem Erhitzen wird die Tankhülle geformt, indem ein Werkzeug gegen die erhitzte Oberfläche der Tankhülle drückt und die Tankhülle hierdurch dazu zwingt, sich beim Drehen zu verformen. Durch das Hot-Spinning kann die Tankhülle an ihren jeweiligen Enden mit geringem Kraftaufwand auf einen kleineren Durchmesser geformt oder eingeschnürt werden, wodurch eine nahtlose Schulter entstehen kann.In a further possible embodiment of the invention, it is provided that before internal high-pressure forming, the tank shell is formed at its respective ends as part of a hot spinning process, whereby the outer diameter of the tank shell is reduced at the ends. Hot spinning is a metalworking process in which the tank shell, particularly when a metal tube is to be formed as the tank shell, is rotated at high speed and formed into an axially symmetric part. By forming the respective ends of the tank shell, the tank shell is given the shape of a cigar. During hot spinning, the tank shell is rotated while it is heated to a high temperature. After heating, the tank shell is formed by a tool pressing against the heated surface of the tank shell, thereby forcing the tank shell to deform during rotation. Hot spinning allows the tank shell to be formed or constricted at its respective ends to a smaller diameter with little force, which can create a seamless shoulder.
In diesem Zusammenhang kann es insbesondere vorgesehen sein, dass die Enden der Tankhülle nacheinander in einem jeweiligen Hot-Spinning-Prozess umgeformt werden, wobei zumindest während des Umformens des als zweites umgeformten Endes der Tankhülle das Einlegeelement in dem Hohlraum angeordnet ist. Mit anderen Worten kann beispielsweise ein erstes der Enden der Tankhülle im Rahmen des Hot-Spinning-Prozesses umgeformt werden, wodurch der Außendurchmesser der Tankhülle an diesem Ende verringert wird, danach das Einlegeelement in den Hohlraum der Tankhülle eingelegt werden und daran anschließend das zweite Ende der Tankhülle im Rahmen eines weiteren Hot-Spinning-Prozesses umgeformt werden. Aufgrund dessen, dass im Rahmen der Hot-Spinning-Prozesse zusätzlich zu dem Außendurchmesser auch der Innendurchmesser an den jeweiligen Enden der Tankhülle verringert wird, kann es vorkommen, dass der Innendurchmesser der Tankhülle an den jeweiligen Enden kleiner ist als der größte Außendurchmesser des Einlegeelements. Ein nachträgliches Einschieben des Einlegeelements in den Hohlraum der Tankhülle nach den Hot-Spinning-Prozessen wäre somit nicht mehr möglich. Somit wird das Einlegeelement durch das Ende der Tankhülle hindurch, welches noch nicht im Rahmen des Hot-Spinning-Prozesses umgeformt ist, in den Hohlraum eingeschoben und anschließend erst dieses Ende der Tankhülle umgeformt. Es kann somit erreicht werden, dass das Einlegeelement besonders einfach und zuverlässig in dem Hohlraum der Tankhülle angeordnet werden kann, auch wenn der größte Außendurchmesser des Einlegeelements kleiner ist als die jeweiligen Innendurchmesser der in dem Hot-Spinning-Verfahren umgeformten Enden der Tankhülle. Um zu ermöglichen, dass während dieses Hot-Spinning-Prozesses des zweiten Endes der Tankhülle das Einlegeelement drehfest an der Tankhülle gehalten werden kann und somit gemeinsam mit der Tankhülle rotiert wird, kann ein Verbindungselement verwendet werden. Dieses Verbindungselement kann sowohl an der Tankhülle als auch am Einlegeelement befestigt werden, wodurch das Einlegeelement über das Verbindungselement drehfest an der Tankhülle gehalten ist, ohne dass ein unmittelbarer Kontakt zwischen der Tankhülle und dem Einlegeelement besteht. Das Verbindungselement kann als Spannelement ausgebildet sein. Insbesondere ist das Verbindungselement aus einem temperaturbeständigen Werkstoff hergestellt, sodass das Verbindungselement zumindest bis zu einer Temperatur von 1200 °C chemisch beständig ist. Insbesondere ist das Verbindungselement aus einem Stahlwerkstoff und/oder einem Keramikwerkstoff hergestellt.In this context, it can be provided, in particular, that the ends of the tank shell are formed one after the other in a respective hot-spinning process, wherein the insert element is arranged in the cavity at least during the forming of the second formed end of the tank shell. In other words, for example, a first of the ends of the tank shell can be formed during the hot-spinning process, whereby the outer diameter of the tank shell at this end is reduced, then the insert element is inserted into the cavity of the tank shell, and subsequently the second end of the tank shell is formed during a further hot-spinning process. Due to the fact that, in addition to the outer diameter, the inner diameter at the respective ends of the tank shell is also reduced during the hot-spinning process, it can happen that the inner diameter of the tank shell at the respective ends is smaller than the largest outer diameter of the insert element. Subsequent insertion of the insert element into the cavity of the tank shell after the hot spinning process would therefore no longer be possible. The insert element is thus inserted into the cavity through the end of the tank shell that has not yet been formed during the hot spinning process, and only then is this end of the tank shell formed. This makes it particularly easy and reliable to position the insert element in the cavity of the tank shell, even if the largest outer diameter of the insert element is smaller than the respective inner diameters of the ends of the tank shell formed in the hot spinning process. To enable the insert element to be held rotationally fixed to the tank shell during this hot spinning process of the second end of the tank shell, and thus to rotate together with the tank shell, a connecting element can be used. This connecting element can be attached to both the tank shell and the insert element, whereby the insert element is held to the tank shell via the connecting element in a rotationally fixed manner, without any direct contact between the tank shell and the insert element. The connecting element can be designed as a clamping element. In particular, the connecting element is made of a temperature-resistant material, so that the connecting element is chemically resistant at least up to a temperature of 1200°C. In particular, the connecting element is made of a steel material and/or a ceramic material.
Hierdurch kann erreicht werden, dass das Einlegeelement mit im mittigen Bereich besonders großem Außendurchmesser zuverlässig in den Hohlraum eingelegt und anschließend durch Innenhochdruckumformen an die Innenwand der Tankhülle angelegt werden kann.This makes it possible to ensure that the insert element with a particularly large outer diameter in the central area can be reliably inserted into the cavity and then applied to the inner wall of the tank shell by internal high-pressure forming.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Einlegeelement durch Verbinden von mindestens zwei separat hergestellten Rohrschalen miteinander hergestellt wird. Diese Rohrschalen erstrecken sich insbesondere jeweils über die gesamte Längserstreckung des Einlegeelements. Es erfolgt somit insbesondere eine Längsverbindung der Rohrschalen. Diese Rohrschalen sind insbesondere jeweils tiefgezogen. Es werden somit insbesondere mindestens zwei tiefgezogene Rohrschalen miteinander zum Einlegeelement verbunden, insbesondere miteinander verschweißt. Hierbei erstreckt sich eine Schweißnaht in axialer Richtung und somit entlang der Längserstreckungsrichtung des Einlegeelements. Durch das Herstellen des Einlegeelements durch Verbinden der wenigstens zwei Rohrschalen miteinander kann das Einlegeelement besonders einfach mit dem im Bereich der jeweiligen Enden angeordneten geringeren Außendurchmesser im Vergleich zu dem Außendurchmesser des mittigen Bereichs des Einlegeelements hergestellt werden.In a further possible embodiment of the invention, it is provided that the insert element is produced by connecting at least two separately manufactured pipe shells to one another. These pipe shells each extend, in particular, over the entire longitudinal extent of the insert element. This results in a longitudinal connection of the pipe shells. These pipe shells are, in particular, each deep-drawn. In particular, at least two deep-drawn pipe shells are connected to one another to form the insert element, in particular welded to one another. A weld seam extends in the axial direction and thus along the longitudinal extension direction of the insert element. By producing the insert element by connecting the at least two pipe shells to one another, the insert element can be manufactured particularly easily with the smaller outer diameter arranged in the region of the respective ends compared to the outer diameter of the central region of the insert element.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Einlegeelement aus einem rohrförmigen Ausgangsbauteil mit über dessen gesamte, in Längserstreckungsrichtung verlaufende Länge konstantem Außendurchmesser hergestellt wird, indem das Ausgangsbauteil mehrstufig abwechselnd ausgedehnt und lösungsgeglüht wird, bis das Einlegeelement eine vorgegebene Ausgangsform für das Innenhochdruckumformen aufweist. Bei dieser Ausgangsform ist der Außendurchmesser des Einlegeelements an dessen jeweiligen Enden kleiner als in einem entlang der Längserstreckungsrichtung mittigen Bereich. Das Einlegeelement kann somit durch mehrstufiges Expandieren des rohrförmigen Ausgangsbauteils hergestellt werden. Hierbei kann in jedem Expansionsschritt das Einlegeelement unter Berücksichtigung einer von dem Material des Einlegeelements abhängigen maximalen physikalischen Dehnbarkeit expandiert werden. Nach jedem Expansionsschritt kann das Einlegeelement wiederum lösungsgeglüht werden, um ein Relaxieren des Gefüges zu erreichen. Anschließend kann ein weiterer Expansionsschritt und darauf folgend ein weiteres Lösungsglühen folgen. Insbesondere werden so oft nacheinander jeweilige Expansionsschritte und Lösungsglühschritte ausgeführt, bis die vorgegebene Ausgangsform erreicht ist. Es kann somit aus dem rohrförmigen Ausgangsbauteil unter Einhaltung von materialspezifischen physikalischen Dehnbarkeitsgrenzwerten das Einlegeelement mit der vorgegebenen Ausgangsform hergestellt werden.In a further possible embodiment of the invention, it is provided that the insert element is produced from a tubular starting component with a constant outer diameter over its entire length running in the longitudinal direction. This is done by alternately expanding and solution annealing the starting component in several stages until the insert element has a predetermined starting shape for internal high-pressure forming. With this starting shape, the outer diameter of the insert element is smaller at its respective ends than in a central region along the longitudinal direction. The insert element can thus be produced by multi-stage expansion of the tubular starting component. In each expansion step, the insert element can be expanded taking into account a maximum physical extensibility that depends on the material of the insert element. After each expansion step, the insert element can again be solution annealed to achieve a relaxation of the microstructure. This can be followed by a further expansion step and then another solution annealing. In particular, expansion and solution annealing steps are repeated successively until the specified initial shape is achieved. Thus, the insert element with the specified initial shape can be manufactured from the tubular initial component while adhering to material-specific physical ductility limits.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Hochdrucktank für ein Kraftfahrzeug, mit einer einen Hohlraum umschließenden Tankhülle und einem rohrförmigen Einlegeelement. Das rohrförmige Einlegeelement ist aus Edelstahl hergestellt, liegt an einer den Hohlraum begrenzenden Innenwand der Tankhülle an und umschließt ein Tankvolumen, in welchem ein Kraftstoff für das Kraftfahrzeug aufgenommen werden kann. Das Einlegeelement überdeckt die Innenwand der Tankhülle vollständig zum Tankvolumen hin. Ein Außendurchmesser des Einlegeelements an dessen jeweiligen Enden ist kleiner als in einem entlang der Längserstreckungsrichtung mittigen Bereich. Hierbei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass eine Portöffnung des Hochdrucktanks kleiner als 70 Millimeter im Durchmesser ist, insbesondere kleiner als 50 Millimeter im Durchmesser ist, insbesondere kleiner als 40 Millimeter im Durchmesser ist. Beispielsweise kann die Portöffnung des Hochdrucktanks im Durchmesser zirka 30 Millimeter groß sein. Sowohl der gesamte Hochdrucktank mit seiner Außenkontur als auch das Einlegeelement weisen an ihren jeweiligen Enden einen geringeren Außendurchmesser auf als in ihrem in Bezug auf die Längserstreckungsrichtung mittigen Bereich und weisen somit zumindest im Wesentlichen die Form einer Zigarre auf. Durch die doppelwandige Ausgestaltung des Hochdrucktanks mit dem Einlegeelement aus Edelstahl sowie der Tankhülle kann zum einen aufgrund des Einlegeelements eine besonders sichere Permeationsbarriere für den im Tankvolumen aufgenommenen Kraftstoff geschaffen werden und zum anderen eine besonders große Stabilität des Hochdrucktanks bei besonders geringem Gewicht des Hochdrucktanks aufgrund des Vorsehens der Tankhülle, insbesondere der Tankhülle aus Stahl, insbesondere der Tankhülle aus hochfestem Stahl, geschaffen werden. Insbesondere ist der Hochdrucktank im Rahmen eines Verfahrens, wie es bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks für ein Kraftfahrzeug beschrieben worden ist, hergestellt worden.The invention further relates to a high-pressure tank for a motor vehicle, comprising a tank shell enclosing a cavity and a tubular insert element. The tubular insert element is made of stainless steel, rests against an inner wall of the tank shell defining the cavity, and encloses a tank volume in which fuel for the motor vehicle can be accommodated. The insert element completely covers the inner wall of the tank shell towards the tank volume. An outer diameter of the insert element at its respective ends is smaller than in a central region along the longitudinal direction. In this case, it can be provided, in particular, that a port opening of the high-pressure tank is smaller than 70 millimeters in diameter, in particular smaller than 50 millimeters in diameter, in particular smaller than 40 millimeters in diameter. For example, the port opening of the high-pressure tank can have a diameter of approximately 30 millimeters. Both the entire high-pressure tank with its outer contour and the insert element have a smaller outer diameter at their respective ends than in their central region with respect to the longitudinal direction of extension and thus have at least substantially the shape of a cigar. The double-walled design of the high-pressure tank with the stainless steel insert element and the tank shell allows, on the one hand, a particularly secure permeation barrier to be created for the fuel contained in the tank volume due to the insert element and, on the other hand, particularly great stability of the high-pressure tank with a particularly low weight of the high-pressure tank due to the provision of the tank shell, in particular the tank shell made of steel, in particular the tank shell made of high-strength steel. In particular, the high-pressure tank was manufactured using a method as already described in connection with the method for manufacturing a high-pressure tank for a motor vehicle.
In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Einlegeelement wenigstens zwei stoffschlüssig miteinander verbundene Rohrschalen umfasst. Diese Rohrschalen können insbesondere durch Tiefziehen hergestellt sein und durch Schweißen stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Durch die Ausgestaltung des Einlegeelements aus den zwei stoffschlüssig miteinander verbundenen Rohrschalen kann erreicht werden, dass unter Einhaltung von maximalen physikalischen Dehnbarkeiten des für das Herstellen des Einlegeelements verwendeten Edelstahls das in dem Hohlraum der Tankhülle angeordnete Einlegeelement in seinem mittigen Bereich einen besonders großen Außendurchmesser und einen besonders großen Innendurchmesser und an seinen jeweiligen Enden einen im Vergleich dazu besonders geringen Außendurchmesser beziehungsweise Innendurchmesser aufweist. Infolgedessen kann der Hochdrucktank mit einer besonders kleinen resultierenden Portöffnung an wenigstens einem der Enden des Hochdrucktanks hergestellt werden, wobei das Tankvolumen in dem Hochdrucktank gleichzeitig im mittigen Bereich einen besonders großen Außendurchmesser aufweist, wodurch von dem Einlegeelement ein besonders großes Tankvolumen begrenzt wird. Durch das Ausgestalten des Einlegeelements aus den wenigstens zwei stoffschlüssig miteinander verbundenen Rohrschalen kann erreicht werden, dass mit besonders wenigen Umformschritten eine für ein Innenhochdruckumformen vorgegebene Ausgangsform für das Einlegeelement erreicht werden kann, welche das Einlegeelement beim Einlegen in den Hohlraum der Tankhülle aufweist. Für das Anlegen des in dem Hohlraum angeordneten Einlegeelements an die Innenwand der Tankhülle wird das Einlegeelement innerhalb des Hohlraums der Tankhülle innenhochdruckumgeformt.In a possible further development of the invention, it is provided that the insert element comprises at least two pipe shells that are integrally connected to one another. These pipe shells can be produced, in particular, by deep drawing and integrally connected to one another by welding. By designing the insert element from the two pipe shells that are integrally connected to one another, it can be achieved that, while maintaining maximum physical extensibility of the stainless steel used to manufacture the insert element, the insert element arranged in the cavity of the tank shell has a particularly large outer diameter and a particularly large inner diameter in its central region and, in comparison, a particularly small outer diameter and inner diameter at its respective ends. As a result, the high-pressure tank can be manufactured with a particularly small resulting port opening at at least one of the ends of the high-pressure tank, wherein the tank volume in the high-pressure tank simultaneously has a particularly large outer diameter in the central region, whereby a particularly large tank volume is delimited by the insert element. By designing the insert element from at least two pipe shells that are integrally connected to one another, it is possible to achieve a predetermined initial shape for the insert element for internal high-pressure forming with a particularly small number of forming steps, which the insert element has when inserted into the cavity of the tank shell. To apply the insert element arranged in the cavity to the inner wall of the tank shell, the insert element is internally high-pressure formed within the cavity of the tank shell.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit einem Hochdrucktank, wie er bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hochdrucktank beschrieben worden ist. Der Hochdrucktank ist insbesondere dazu eingerichtet, Wasserstoff zu speichern. Der Hochdrucktank kann diesen gespeicherten Wasserstoff für eine Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs bereitstellen, wodurch das Kraftfahrzeug mittels des Wasserstoffs angetrieben werden kann. Beispielsweise kann der Wasserstoff in einem für eine Verbrennung von Wasserstoff ausgelegten Verbrennungsmotor oder von einer Brennstoffzelleneinrichtung für das Antreiben des Kraftfahrzeugs genutzt werden.The invention further relates to a motor vehicle with a high-pressure tank, as already described in connection with the high-pressure tank according to the invention. The high-pressure tank is particularly designed to store hydrogen. The high-pressure tank can provide this stored hydrogen to a drive device of the motor vehicle, whereby the motor vehicle can be powered by the hydrogen. For example, the hydrogen can be used in an internal combustion engine designed for hydrogen combustion or by a fuel cell device to power the motor vehicle.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further features of the invention may emerge from the claims, the figures, and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description, as well as the features and combinations of features shown below in the description of the figures and/or in the figures alone, can be used not only in the respective combinations specified, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur (
In
Nachdem beide Enden 14, 28 der Tankhülle 12 umgeformt worden sind, wird das Einlegeelement 18 in dem Hohlraum 20 durch Einleiten eines Umformmediums 30 innenhochdruckumgeformt (S5). Infolge des Innenhochdruckformens legt sich das Einlegeelement 18 an eine den Hohlraum 20 begrenzende Innenwand 32 der Tankhülle 12 flächig an. Hierdurch wird der Hochdrucktank 10 gebildet. Das Einlegeelement 18 begrenzt ein Tankvolumen 34 des Hochdrucktanks 10, in welchem der Kraftstoff für das Kraftfahrzeug aufgenommen werden kann. Das Einlegeelement 18 überdeckt die Innenwand 32 der Tankhülle 12 vollständig zum Tankvolumen 34 hin, wie in
Im Rahmen des Verfahrens ist somit der Hochdrucktank 10 hergestellt worden, mit der den Hohlraum 20 umschließenden Tankhülle 12 sowie dem röhrenförmigen Einlegeelement 18. Dabei ist das Einlegeelement 18 vorliegend aus Edelstahl hergestellt, liegt an der den Hohlraum 20 begrenzenden Innenwand 32 der Tankhülle 12 an und umschließt das Tankvolumen 34. Der Außendurchmesser des Einlegeelements 18 ist an seinen jeweiligen Enden 24 kleiner als in dem entlang der Längserstreckungsrichtung mittigen Bereich 26 sowohl vor dem Innenhochdruckumformen als auch nach dem Innenhochdruckumformen.Within the scope of the method, the high-pressure tank 10 has thus been produced, with the tank shell 12 enclosing the cavity 20 and the tubular insert element 18. The insert element 18 is made of stainless steel in the present case, rests against the inner wall 32 of the tank shell 12 delimiting the cavity 20 and encloses the tank volume 34. The outer diameter of the insert element 18 is smaller at its respective ends 24 than in the central region 26 along the longitudinal direction, both before and after the internal high-pressure forming.
Es ist möglich, dass alternativ oder zusätzlich zu dem Herstellen des Einlegeelements 18 aus den zwei separat hergestellten Rohrschalen das Einlegeelement 18 aus einem rohrförmigen Ausgangsbauteil mit über dessen gesamte, in Erstreckungsrichtung verlaufende Länge konstantem Außendurchmesser und Innendurchmesser hergestellt wird. Hierbei kann das Ausgangsbauteil mehrstufig abwechselnd ausgedehnt und lösungsgeglüht werden, bis das Einlegeelement 18 eine vorgegebene Ausgangsform für das Innenhochdruckformen aufweist. Bei dieser Ausgangsform für das Innenhochdruckumformen sind der Außendurchmesser und der Innendurchmesser des Einlegeelements 18 an dessen jeweiligen Enden 24 kleiner als in dem entlang der Längserstreckungsrichtung mittigen Bereich 26.Alternatively or in addition to producing the insert element 18 from the two separately manufactured pipe shells, the insert element 18 can be produced from a tubular starting component with a constant outer diameter and inner diameter over its entire length in the direction of extension. In this case, the starting component can be alternately expanded and solution-annealed in several stages until the insert element 18 has a predetermined starting shape for internal high-pressure forming. In this starting shape for internal high-pressure forming, the outer diameter and the inner diameter of the insert element 18 are smaller at its respective ends 24 than in the central region 26 along the longitudinal direction of extension.
Durch das Umformen der Tankhülle 12 im Rahmen des Hot-Spinning-Prozesses ist aus der Tankhülle 12 eine hochfeste Stahlflasche hergestellt worden, in welche das Einlegeelement 18 als geschweißter Rohreinleger eingelegt ist. Insbesondere kann das Einlegeelement 18 nach dem Innenhochdruckumformen im mittigen Bereich 26 einen Innendurchmesser von 80 Millimetern aufweisen und im Bereich der jeweiligen Enden 24 einen Innendurchmesser von 30 Millimetern aufweisen.By forming the tank shell 12 during the hot spinning process, a high-strength steel cylinder is produced from the tank shell 12, into which the insert element 18 is inserted as a welded pipe insert. In particular, after the internal high-pressure forming, the insert element 18 can have an inner diameter of 80 millimeters in the central region 26 and an inner diameter of 30 millimeters in the region of the respective ends 24.
Bei dem Herstellen des Einlegeelements 18 aus dem rohrförmigen Ausgangsbauteils mittels des mehrstufigen abwechselnden Ausdehnens und Lösungsglühens kann als Ausgangsbauteil ein nahtloses Rohr mit einem Innendurchmesser von 30 Millimetern verwendet werden. In einem ersten Expansionsschritt kann der Innendurchmesser auf 140 Prozent und somit auf 42 Millimeter ausgedehnt werden. Hieraus resultiert eine Wandstärke von 1,2 Millimetern. Im Anschluss daran kann ein erster Lösungsglühschritt erfolgen. Danach kann ein zweiter Expansionsschritt erfolgen, bei welchem der Innendurchmesser des Ausgangsbauteils wiederum auf 140 Prozent und somit auf 59 Millimeter ausgedehnt wird, woraus eine Wandstärke von 0,7 Millimetern resultiert. Im Anschluss daran kann ein zweiter Lösungsglühschritt erfolgen. Daran anschließend kann in einem dritten Expansionsschritt des Ausgangsbauteils auf einen Innendurchmesser von 136 Prozent und infolgedessen von 80 Millimetern ausgedehnt werden, woraus eine Wandstärke von 0,5 Millimetern resultiert. Im Anschluss daran kann ein dritter Lösungsglühschritt erfolgen.When producing the insert element 18 from the tubular starting component by means of multi-stage alternating expansion and solution annealing, a seamless tube with an inner diameter of 30 millimeters can be used as the starting component. In a first expansion step, the inner diameter can be expanded to 140 percent and thus to 42 millimeters. This results in a wall thickness of 1.2 millimeters. This can be followed by a first solution annealing step. This can then be followed by a second expansion step, in which the inner diameter of the starting component is again expanded to 140 percent and thus to 59 millimeters, resulting in a wall thickness of 0.7 millimeters. This can then be followed by a second solution annealing step. Subsequently, in a third expansion step, the starting component can be expanded to an inner diameter of 136 percent and consequently to 80 millimeters, resulting in a wall thickness of 0.5 millimeters. A third solution annealing step can then be performed.
Durch das Verwenden des Einlegeelements 18 mit den besonders kleinen Innendurchmessern an den jeweiligen Enden 24 von beispielsweise 30 Millimetern kann eine resultierende Portöffnung des Hochdrucktanks 10 von zirka 30 Millimetern erreicht werden. Hierdurch kann ein Portbereich der Tankhülle 12 besonders leicht und dünnwandig ausgestaltet werden. Infolgedessen kann ein für die Portöffnung vorgesehener Verschluss besonders klein, besonders leicht sowie mit besonders geringen Materialkosten hergestellt werden. Weiterhin kann hierdurch erreicht werden, dass eine VerschlussGewindegröße innerhalb zulassungsfähiger Norm- und Auslegungstabellen liegt.By using the insert element 18 with the particularly small inner diameters at the respective ends 24 of, for example, 30 millimeters, a resulting port opening of the high-pressure tank 10 of approximately 30 millimeters can be achieved. This allows a port area of the tank shell 12 to be designed with particularly light and thin walls. As a result, a closure intended for the port opening can be manufactured particularly small, particularly light, and with particularly low material costs. Furthermore, this allows a closure thread size to be within the approved standards and design tables.
Insgesamt zeigt die Erfindung, wie eine Innenhochdruckumformung einer Permeations-Barriereschicht in einem Wasserstoff-Stahltank mit reduzierter Portöffnung umgesetzt werden kann.Overall, the invention shows how internal high-pressure forming of a permeation barrier layer can be implemented in a hydrogen steel tank with a reduced port opening.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- Hochdrucktankhigh-pressure tank
- 1212
- TankhülleTank cover
- 1414
- erstes Endefirst end
- 1616
- WerkzeugTool
- 1818
- EinlegeelementInsert element
- 2020
- Hohlraumcavity
- 2222
- SchweißnahtWeld seam
- 2424
- EndeEnd
- 2626
- mittiger Bereichcentral area
- 2828
- zweites Endesecond end
- 3030
- UmformmediumForming medium
- 3232
- Innenwandinterior wall
- 3434
- TankvolumenTank volume
- S1 bis S5S1 to S5
- jeweilige Verfahrensschritterespective procedural steps
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10 2009 042 401 A1 [0002]DE 10 2009 042 401 A1 [0002]
- DE 10 2016 220 995 A1 [0003]DE 10 2016 220 995 A1 [0003]
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- 2024-03-28 DE DE102024108881.8A patent/DE102024108881A1/en active Pending
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| R079 | Amendment of ipc main class |
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