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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Steuerung der Befüllung eines Kunststoff-Gastanks eines Kraftfahrzeuges, insbesondere für Kunststoff-Gastanks für die Verwendung mit ”Compressed Natural Gas” (CNG).
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Fahrzeuge mit CNG-Gasantrieb und entsprechenden Tanks (aus als Gasdruckbehälter bezeichnet) sind aus der Praxis seit geraumer Zeit bekannt. Als Tanks werden häufig mehrere in Reihe geschaltete Flaschen aus Stahl eingesetzt. Seit einiger Zeit werden, insbesondere aus Gewichtsgründen, auch Tanks bzw. Flaschen aus Kunststoff eingesetzt. Bekannte Kunststoff-Gastanks weisen einen Innenbehälter und einen den Innenbehälter umschließenden Außenbehälter auf, wobei der Innenbehälter und der Außenbehälter aus Werkstoffen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt sind. Beispielsweise sind Innenbehälter häufig aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigt und dienen als Barriere gegen einen Gasaustritt (Permeation). Außenbehälter sind häufig aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) hergestellt. Sinken die Außentemperaturen (z. B. auf –40°C), verringert sich das Volumen des Innenbehälters aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien stärker als das Volumen des Außenbehälters. Dadurch entsteht zumindest teilweise ein Abstand zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter. Wird ein solcher Behälter in diesem Zustand und bei Atmosphärendruck im Inneren des Behälters betankt, vergrößert sich das Volumen des Innenbehälters schlagartig, bis dieser an der Innenwand des Außenbehälters anliegt. Dies kann dazu führen, dass der Innenbehälter zerstört wird.
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Dem vorstehend beschriebenen Szenario, das bei der Betankung von Kunststoff-Gastanks durchaus auftreten kann, wird durch die aus dem Stand der Technik bekannten Gastanks nicht Rechnung getragen. Keine der nachfolgend genannten Druckschriften nimmt hierauf Bezug.
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Aus
JP 2004 100 824 A ist eine Betankungsvorrichtung für Gastanks bekannt. Zu der Art des verwendeten Gastanks werden keine Angaben gemacht. Die Vorrichtung soll es ermöglichen, den Gasstrom und den Druck in der Betankungsleitung während der gesamten Betankung so einzustellen, dass der Tank nicht beschädigt wird.
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Aus
EP 0 653 585 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Betanken eines Druckbehälters mit einem gasförmigen Medium bekannt. Hierbei wird vor dem Betankungsvorgang aufgrund der Außentemperatur bzw. der Umgebungstemperatur ein zulässiger Fülldruck im Druckbehälter ermittelt. Es wird darauf abgezielt, indem Druckbehälter kurzfristig einen höheren Druck zuzulassen, wenn aufgrund der Außentemperatur bzw. der Umgebungstemperatur sichergestellt ist, dass der Druck des Gases in dem Druckbehälter nach dem Betanken durch Abkühlen auf einen dauerhaft zulässigen Druck absinkt.
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Aus
JP 100 96 499 A ist eine Betankungsvorrichtung für Gastanks bekannt, mit welcher die Variation bestimmter Parameter während der Betankung vereinfach werden soll.
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Aus
JP 2004 360 714 A ist eine Betankungsvorrichtung für Gastanks bekannt, mittels welcher Messfehler ausgeschlossen werden sollen, die auf den Modus eines vorherigen Betankungsvorgangs mit dieser Vorrichtung zurückzuführen sind.
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Aus
KR 2003 088 282 A ist ein Gastank für ein Kraftfahrzeug bekannt, welcher aufgrund seiner Gestaltung eine verbesserte Kapazität haben soll. Dieser Gastank weist einen Druckbegrenzer auf, dessen Charakteristik nicht im Detail beschrieben ist.
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Aus
DE 10 2005 009 823 A1 ist ein System für gasförmigen Treibstoff für Kraftfahrzeuge bekannt, dessen Füllventil für den Treibstoffspeichertank eine variable Füllöffnung aufweist. Die Füllöffnung ist durch einen Controller betätigbar, um die Geschwindigkeit des Treibstoffsstroms in Abhängigkeit des Drucks oder der Temperatur im Treibstoffspeichertank zu variieren.
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Aus
EP 0 356 377 A1 ist ein Gasbetankungsgerät für Kraftfahrzeuge bekannt, mittels welchem der Betankungsdruck in Abhängigkeit der Temperatur zwischen einem Mindestdruck und einem Maximaldruck variierbar ist.
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Aus
EP 0 240 303 A2 ist ein Sammelsystem für Kraftstoffdämpfe bekannt, mittels welchem der Druck in einem Kraftstofftank überwacht wird.
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Ein aktuell für Kunststoff-Gastanks der vorstehend beschriebenen Art mit Innenhülle und Außenhülle durchgeführter Sicherheitstest gemäß der ECE Regelung Nr. 110 lässt es zu, dass der Innenbehälter beim Start der Betankung mit einem Vordruck beaufschlagt ist, der dazu führt, dass der Innenbehälter bereits an der Außenwand des Außenbehälters anliegt. Daher wird das eingangs erwähnte Problem selbst im Rahmen dieses Sicherheitstests nicht thematisiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Befüllung bzw. Betankung eines Gastanks eines Kraftfahrzeuges zur Verfügung zu stellen, die eine sichere Betankung eines Gastanks eines Kraftfahrzeuges auch dann ermöglichen, wenn der Tank beim Start der Betankung nicht mit einem Vordruck beaufschlagt ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 8.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Befüllung eines Kunststoff-Gastanks eines Kraftfahrzeuges umfasst Mittel zur Begrenzung des Drucks des bei einem Betanken in den Gastank einströmenden Gases, welche dazu ausgebildet sind, den Gasdruck innerhalb eines begrenzten, mit der Betankung beginnenden Zeitraums auf einen im Vergleich zu einem späteren Betankungsdruck reduzierten Druck zu begrenzen. Dabei wird innerhalb des begrenzten Zeitraums der Massen- bzw. Volumenstrom des einströmenden Gases reduziert. Auf diese Weise kann insbesondere bei der Betankung von Kunststoff-Gastanks mit einer Innenhülle und einer Außenhülle gewährleistet werden, dass sich in Extremsituationen (z. B. bei sehr niedrigen Außentemperaturen) zunächst der Innenbehälter bei reduziertem Druck an den Außenbehälter anlegt, bevor im Anschluss daran eine Betankung mit dem üblichen Betankungsdruck erfolgt. So kann wirksam verhindert werden, dass eine plötzliche Ausdehnung des Innenbehälters dazu führt, dass dieser zerstört wird.
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In praktischen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Mittel zur Begrenzung des Drucks in einem Tanksystem eines Kunststoff-Gastanks mit einer Innenhülle und einer die Innenhülle umschließenden Außenhülle integriert. Diese Mittel können beispielsweise am Einlass des Gastanks selbst angeordnet sein. Alternativ können die Mittel auch als integraler Bestandteil eines Druckminderers gestaltet oder in das von der Einfüllöffnung zum Gastank führenden Leitungssystem eines Kraftfahrzeuges integriert sein. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen haben den Vorteil, dass der durch die Mittel zur Begrenzung des Drucks bewirkte Schutzmechanismus für den Gastank bei jeder Betankung und unabhängig von der verwendeten Betankungsanlage zur Verfügung steht.
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In einer anderen praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Mittel zur Begrenzung des Drucks bzw. des Massen-/Volumenstroms in einer Betankungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge integriert. Dies hat den Vorteil, dass die Gesamtkosten für die Umsetzung des vorstehend erwähnten Schutzmechanismus geringer sind, da die Zahl der Betankungsvorrichtungen deutlich geringer ist als die Zahl der von diesen Betankungsvorrichtungen betankten Kraftfahrzeuge. Die Wartungskosten wären in diesem Fall aus dem gleichen Grunde geringer.
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Unabhängig davon, ob die Mittel zur Begrenzung des Drucks bzw. des Massen-/Volumenstroms in ein Tanksystem eines Kunststoff-Gastanks oder in eine Betankungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge integriert ist, kann die Vorrichtung besonders einfach und kostengünstig realisiert werden, wenn als Mittel zur Begrenzung des Drucks ein Steuer- und/oder Regelelement verwendet wird. Steuer- und Regelelement stehen mit einer Vielzahl von Charakteristiken als Standard-Bauteile zur Verfügung. In einer besonders einfachen Ausführungsform kann als Steuerelement einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise ein Element eingesetzt werden, das zu Beginn jedes Betankungsvorgangs den Druck ausgehend vom Umgebungsdruck über einen festgelegten Zeitraum t1 bis zum Erreichen des gewünschten Betankungsdrucks linear erhöht.
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Alternativ könnte ein Element eingesetzt werden, dass den Druck zunächst während. eines festgelegten Zeitraums t1' bis zum Erreichen eines gewünschten Vordrucks p1 erhöht und dann konstant hält und anschließend über einen Zeitraum t2' wiederum bis zum Erreichen des gewünschten Betankungsdrucks erhöht und dann konstant hält. Vorzugsweise werden für die Phasen, in denen der Druck erhöht wird, Verzögerungselemente eingesetzt, mittels welchen der Druckanstieg begrenzt wird.
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In einer anderen praktischen Ausführungsform sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Mittel zur Messung des Drucks in dem zu betankenden Kunststoff-Gastank vorgesehen, wobei die Mittel zur Messung des Drucks mit den Mitteln zur Begrenzung des Drucks derart gekoppelt sind, dass der Druck des in den Gastank einströmenden Gases in Abhängigkeit des Drucks in dem Kunststoff-Gastank einstellbar ist. Eine solche Vorrichtung hat den Vorteil, dass die Befüllungszeit vom Druck in dem Kunststoff-Gastank abhängig ist. Die Zeit für die Befüllung wird daher reduziert, wenn zu Beginn des Befüllungsvorgangs bereits ein Druck in den Kunststoff-Gastank vorherrscht, bei welchem davon ausgegangen werden kann, dass die Innenhülle des Gastanks an der Außenhülle anliegt.
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Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn eine erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel zur Erfassung der Umgebungstemperatur aufweist und die Mittel zur Erfassung der Umgebungstemperatur mit den Mitteln zur Begrenzung des Drucks derart gekoppelt sind, dass der Druck des in den Gastank einströmenden Gases in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur einstellbar ist. In diesem Fall kann die Befüllungszeit dann reduziert werden, wenn aus der vorherrschenden Umgebungstemperatur geschlossen werden kann, dass die Innenhülle des Gastanks an der Außenhülle anliegt und somit kein Risiko besteht, dass bei sofortigem Betanken mit dem Betankungsdruck die Innenhülle Schaden nehmen könnte.
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Wenn die Mittel zur Begrenzung des Drucks mittels eines Schalters aktivierbar und deaktivierbar sind, kann der erwähnte Sicherheitsmechanismus bedarfsweise ein- oder ausgeschaltet werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Vorrichtung in eine Betankungsvorrichtung integriert ist. In diesem Fall könnten Fahrzeuge mit Kunststoff-Gastanks mit aktiviertem Sicherheitsmechanismus und Fahrzeuge mit anderen Gastanks mit deaktiviertem Sicherheitsmechanismus betankt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn an Kraftfahrzeugen mit Kunststoff-Gastanks im Bereich des Tankeinfüllstutzens ein Aktivierungsnippel oder ein sonstiges Aktivierungsmerkmal ausgebildet ist, das beim Herstellen einer Verbindung zwischen einem Anschluss einer Betankungsvorrichtung und einem Kraftfahrzeug den Sicherheitsmechanismus automatisch aktiviert. So könnte die Gefahr eines menschlichen Versagens eliminiert werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Betankung eines Kunststoff-Gastanks. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Betankung innerhalb eines ersten, mit einer Betankung beginnenden Zeitraums mit einem gegenüber einem späteren Betankungsdruck reduzierten Gasdruck durchgeführt.
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Auf die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der in den Ansprüchen erläuterten vorteilhaften Weiterbildungen wird hiermit verwiesen.
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Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Skizze eines Kraftfahrzeugs mit einem aus vier Gasflaschen bestehenden Gastank,
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2 der in 1 gestrichelt dargestellte Bereich in einer Detailansicht,
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3 eine schematische Darstellung einer Anordnung umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung, eine Betankungsvorrichtung und einen Tank und
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4 eine schematische Darstellung des Massenstroms über der Zeit bei der Betankung eines Tanks mit verschiedenen Vorrichtungen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10 mit einem Kunststoff-Gastank 12, bestehend aus vier Gasflaschen 14. Die Gasflaschen 14 stehen über Leitungen 16 mit einem Motor 18 und einer Öffnung 20 zur Betankung des Kraftfahrzeugs 10 in Verbindung.
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Wie in 2 zu erkennen ist, sind die Gasflaschen ferner über Leitungen 16 in Reihe geschaltet. Sie sind derart miteinander verbunden, dass sie während einer Betankung alle gleichzeitig und gleichmäßig mit Gas befüllt werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 22, die zwischen einer Betankungsvorrichtung 24 und einem Kunststoff-Gastank 12 eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist. Bei der Betankungsvorrichtung 24 kann es sich beispielsweise um einen an einer Tankstelle angeordneten Druckbehälter handeln, in welchem ”Compressed Natural Gas” (CNG) mit einem Druck von 200 bar gelagert ist. Über eine nicht dargestellte Verbindungsleitung und ein am Ende der Verbindungsleitung angeordnetes Anschlusselement lässt sich die Betankungsvorrichtung 24 mit dem Kunststoff-Gastank 12 eines Kraftfahrzeuges verbinden. Die schematische Darstellung in 3 lässt offen, ob die erfindungsgemäße Vorrichtung 22 in der Betankungsvorrichtung 24 oder in dem zum Kunststoff-Gastank 14 führenden Leitungssystem des zu betankenden Kraftfahrzeugs integriert ist, denn bei jeder dieser Varianten greift ein Sicherheitsmechanismus, der im Zusammenhang mit 4 näher erläutert wird.
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4 zeigt den Verlauf des Massenstroms bzw. des Betankungsdrucks p über der Zeit für vier verschiedene Betankungsvorgänge. Massenstrom ṁ und Betankungsdruck p sind voneinander abhängende Größen. Der Betankungsdruck p wird durch eine an den Kunststoff-Gastank 12 angepasste Reduzierung des Massenstroms ṁ des Gases verringert und auf einen unkritischen Druck begrenzt.
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Linie 26 zeigt den zeitlichen Verlauf des Massenstroms ṁ bzw. Betankungsdrucks p bei der Betankung eines Kraftfahrzeuges, welches nicht mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 22 ausgestattet ist. In diesem Fall, der den Stand der Technik wiedergibt, steigt der Druck innerhalb sehr kurzer Zeit auf den maximalen Betankungsdruck pmax bzw. den größten Massenstrom ṁmax an, bleibt dann konstant und fällt am Ende des Betankungsvorgangs wieder auf 0 ab.
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Linie 28 zeigt den Verlauf des Massenstroms ṁ bzw. Betankungsdrucks p bei der Betankung eines Kraftfahrzeuges, das mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßes Vorrichtung 22 ausgestattet ist. Durch diese Vorrichtung wird der Anstieg des Massenstroms ṁ bzw. Betankungsdrucks p auf einen Zeitraum t1 aus, der so gewählt ist, dass sichergestellt ist, dass die Innenhülle des zu befüllenden Kunststoff-Gastanks sich am Ende des Zeitraums t1 an die Außenhülle angelegt hat und somit in ihrer Form fixiert ist.
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Linie 30 zeigt den Verlauf des Massenstroms ṁ bzw. Betankungsdrucks p bei der Betankung eines Kraftfahrzeuges, das mit einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 22' ausgestattet ist. Diese Vorrichtung erlaubt zwar zunächst einen Anstieg des Massenstroms ṁ bzw. Betankungsdrucks p wie im Stand der Technik (vgl. Linse 26), begrenzt jedoch den Druck zunächst für einen Zeitraum t1' auf einen Wert p1, der geringer ist als der maximale Betankungsdruck pmax. Im Anschluss daran, lässt die erfindungsgemäße Vorrichtung 22' einen Anstieg des Massenstroms ṁ bzw. Betankungsdrucks p auf den zugelassenen Maximalwert zu. In dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 22' ist der Zeitraum t1' so gewählt, dass die Innenhülle des zu befüllenden Kunststoff-Gastanks sich am Ende des Zeitraums t1' an die Außenhülle angelegt hat und somit in ihrer Form fixiert ist.
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Linie 32 zeigt den Verlauf des Massenstroms ṁ bzw. Betankungsdrucks p bei der Betankung eines Kraftfahrzeuges, das mit einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 22'' ausgestattet ist. Diese Vorrichtung 22'' entspricht im Wesentlichen der zweiten Ausführungsform gemäß der Vorrichtung 22', unterscheidet sich jedoch dadurch, dass der Anstieg des Betankungsdrucks p sowie des Massenstroms ṁ zusätzlich beschränkt ist. Während des Zeitraums t1'' wird der Betankungsdruck p bzw. der Massenstrom innerhalb vorgegebener Grenzen erhöht, während des Zeitraums t2'' wird der Betankungsdruck p bzw. der Massenstrom ṁ konstant auf den Werten p1 bzw. ṁ1 gehalten, während des Zeitraums t3'' wird der Betankungsdruck p bzw. der Massenstrom ṁ wiederum innerhalb vorgegebener Grenzen erhöht, bis er die Werte pmax bzw. ṁmax erreicht, und diese Werte werden innerhalb des Zeitraums t4'' konstant gehalten.
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Die Erfindung ist nicht auf Vorrichtungen mit den vorstehend im Detail beschriebenen Steuer- bzw. Regelelementen beschränkt. Es obliegt dem Fachmann, andere Elemente einzusetzen, mit welcher sich der Sicherheitsmechanismus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung realisieren lässt. So können beispielsweise Steuerelemente eingesetzt werden, die anstelle eines linearen Anstiegs des Betankungsdrucks bzw. Massenstroms einen progressiven oder degressiven Verlauf vorgeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 12
- Kunststoff-Gastank
- 14
- Gasflaschen
- 16
- Leitungen
- 18
- Motor
- 20
- Öffnung zur Betankung
- 22
- erfindungsgemäße Vorrichtung
- 24
- Betankungsvorrichtung
- 26
- Verlauf des Drucks/Massenstroms bei Betankung mit Vorrichtung aus dem Stand der Technik
- 28
- Verlauf des Drucks/Massenstroms bei Betankung mit erfindungsgemäßer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform
- 30
- Verlauf des Drucks/Massenstroms bei Betankung mit erfindungsgemäßer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform
- 32
- Verlauf des Drucks/Massenstroms bei Betankung mit erfindungsgemäßer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2004100824 A [0004]
- EP 0653585 A1 [0005]
- JP 10096499 A [0006]
- JP 2004360714 A [0007]
- KR 2003088282 A [0008]
- DE 102005009823 A1 [0009]
- EP 0356377 A1 [0010]
- EP 0240303 A2 [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ECE Regelung Nr. 110 [0012]