DE19916385C2 - Fahrzeug mit Druckgasbehälter als Fahrzeugtank - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung, ein Fahrzeug, betrifft einen Druckgasbehälter (1) als Fahrzeugtank, mit einer gasdichten Behälterwand (2) und mit zwei Anschlußstutzen (3, 4) für Druckgasleitungen. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, DOLLAR A - daß das Volumen des Druckgasbehälters (1) durch eine Trennwand in zwei Teile (6, 7) unterteilt ist, wobei jeder der beiden Teile (6, 7) jeweils durch einen der beiden Anschlußstutzen (3, 4) füllbar und entleerbar ist, DOLLAR A - daß die Trennwand die beiden Teile (6, 7) des Volumens in der Weise voneinander trennt, daß kein nennenswerter unmittelbarer Gasaustausch zwischen den beiden Teilen (6, 7) stattfindet, DOLLAR A - und daß die Trennwand innerhalb des Druckgasbehälters (1) in der Weise ortsveränderlich angeordnet ist, daß durch Änderung der Befüllung bedingte Druckunterschiede zwischen den beiden Teilen (6, 7) des Volumens durch eine Verlagerung oder Verformung der Trennwand ausgeglichen werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Druckgasbehälter als Fahrzeugtank, der
eine gasdichte Behälterwand und zwei Anschlußstutzen für Druckgasleitungen
aufweist.
Aus der WO 97/06383 ist ein Gasladesystem für Druckgasbehälter bekannt, die als
Fahrzeugtank in gasbetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden. Die schnelle
Befüllung von Druckgasbehältern bringt das Problem mit sich, daß durch die Befüllung
im Druckgasbehälter ein erheblicher Temperaturanstieg stattfindet, der nach einer
Befüllung auf einen Solldruck infolge späterer Abkühlung der Gasfüllung dazu führt,
daß der Fülldruck deutlich absinkt, der Druckgasbehälter somit nicht richtig vollgetankt
ist. Dieses Problem versuchte man bisher insbesondere dadurch zu entschärfen, daß
der Hochdruckbehälter bewußt auf einen höheren Druck als den eigentlichen Solldruck
aufgefüllt wurde. Der Überhöhungsdruck beim Füllen war so hoch angesetzt, daß nach
Eintreten der Abkühlung nach der Betankung der tatsächlich angestrebte Solldruck
vorlag.
Das aus der WO 97/06383 bekannte Gasladesystem löst diese Problematik auf eine
andere Weise, ohne daß ein Überhöhungsdruck beim Betanken eingestellt werden
muß. Diese Lösung besteht darin, daß der zu befüllende Druckgasbehälter aus einem
sehr viel größeren Druckvorratsbehälter zunächst bis zum Eintritt des Druckausgleichs
zwischen den beiden Behältern aufgefüllt wird. Im Anschluß daran wird ein Umpumpen
der Gasfüllung im zu befüllenden Druckgasbehälter vorgenommen, wobei die erwärmte
Gasfüllung des Druckgasbehälters durch eine kalte Gasfüllung aus dem
Druckgasvorratsbehälter ersetzt wird. Dieser Umpumpvorgang, der auch Spülvorgang
genannt wird, kann ohne großen Energieaufwand in kurzer Zeit vonstatten gehen, da
der Austausch nicht gegen ein größeres Druckgefälle herbeigeführt werden muß. Es
sind lediglich die Strömungswiderstände der Druckgasleitungen zu überwinden. Um
einen schnellen Austausch der heißen Gasfüllung gegen eine kalte Gasfüllung zu
ermöglichen, ist der zu befüllende Druckgasbehälter mit zwei Anschlußstutzen
versehen, die zweckmäßigerweise diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
Dennoch ist der Austausch der Gasfüllung verbesserungsbedürftig, da das Einfüllen
von kaltem Gas und der gleichzeitige Abzug von warmem Gas nicht ohne erhebliche
Vermischungserscheinungen im Druckgasbehälter vor sich geht. Um eine hinreichend
kalte Gasfüllung in dem zu betankenden Druckgasbehälter einzustellen, muß daher
üblicherweise das eingefüllte Gasvolumen mehrfach ausgetauscht werden. Dies
verlängert einerseits den Tankvorgang und führt andererseits auch dazu, daß die
Wand des Druckgasbehälters einen Teil der Wärme des Gases aufnimmt und später
wieder an die kalte Gasfüllung abgibt, diese also wiederum entsprechend erwärmt.
Aus der DD 115 528 A1 ist ein hydraulischer Druckspeicher bekannt, der aus einem
Druckbehälter besteht, in dem eine Gummiblase befestigt ist, die über ein Füllventil mit
einem Druckgas befüllbar ist. Das außerhalb der Gummiblase in dem
Druckgasbehälter befindliche hydraulische Fluid, das durch die Gummiblase unter
Druck gehalten wird, kann durch eine Öffnung in der Wand des Druckgasbehälters
eingespeist oder abgezogen werden. Auf die Betankung von Fahrzeugen, die mit
einem Druckgasspeicher als Fahrzeugtank versehen sind, ergeben sich hieraus keine
Hinweise.
In der CH 350 617 A wird ein Druckbehälter beschrieben, der mit einem Wirkstoff (z. B.
Arzneimittel) und einem flüssigen Treibmittel gefüllt ist, mit dem der Wirkstoff ohne
Notwendigkeit eines Pumpens aus dem Druckbehälter dosiert abgezogen werden
kann. Um eine Vermischung des flüssigen Treibmittels mit dem Wirkstoff und eine
Abgabe des Treibmittel nach außen zu vermeiden, ist das Treibmittel, dessen Volumen
durch Verdampfung sich erheblich vergrößern kann, in einer elastischen Gasblase im
Druckbehälter eingeschlossen. Aus dieser Schrift ergeben sich keinerlei Hinweise auf
die Problematik einer schnellen und vollständigen Befüllung eines Fahrzeugtanks mit
Druckgas.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einem
Druckgasbehälter als Fahrzeugtank vorzuschlagen, der eine vollständige Betankung
auf einen gewünschten Fülldruck in noch kürzerer Zeit ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung sieht vor, daß der zu betankende Druckgasbehälter durch eine innere
Trennwand in zwei Teile unterteilt ist, wobei jeder der beiden Teile jeweils durch einen
der beiden Anschlußstutzen füllbar und entleerbar ist. Die innere Trennwand trennt
dabei die beiden Teile des Volumens des Druckgasbehälters in der Weise
voneinander, daß kein nennenswerter Gas- und Wärmeaustausch zwischen den
beiden Teilen stattfinden kann. Wesentlich ist, daß die Trennwand innerhalb des
Druckgasbehälters orstveränderlich angeordnet, also nicht starr mit der gasdichten
Behälterwand verbunden ist. Im einzelnen bedeutet dies, daß Druckunterschiede
zwischen den beiden Teilen des Volumens des Druckgasbehälters infolge einer
Änderung der Befüllung durch eine entsprechende Verlagerung oder Verformung der
Trennwand ausgeglichen werden. Unabhängig von der jeweiligen Verfüllung herrscht
also in beiden Teilen des Volumens jeweils praktisch derselbe Druck. Die Entnahme
von Gas aus einem der beiden Teilvolumina führt zu einer Verringerung der Größe des
betreffenden Teilvolumens, während sich das andere Teilvolumen in entsprechender
Weise bei absinkendem Druck vergrößert.
Die Trennwand kann in sich starr ausgebildet sein und sich beispielsweise im Sinne
eines "schwimmenden" Kolbens entlang der Behälterwand eines mit einer
zylindrischen oder mit prismatischen Grundform versehenen Druckgasbehälters
bewegen.
Besonders bevorzugt wird jedoch die Ausbildung der Trennwand als innerhalb des
Druckgasbehälters angeordnete gasdichte flexible Blase, die an einen der beiden
Anschlußstutzen angeschlossen ist. Eine solche Blase muß keine besonders hohen
Anforderungen an die Festigkeit erfüllen, sondern sollte zweckmäßigerweise eine
möglichst niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen und zum Beispiel als Kunststoffolie
ausgebildet sein. Es ist lediglich erforderlich, daß die Blase gegen die austretenden
thermischen Belastungen hinreichend stabil ist. Dies ist bei üblichen Füllvorgängen von
Druckgasbehältern, die als Fahrzeugtank eingesetzt werden und zum Beispiel auf 250
bar aufgefüllt werden müssen, der Fall, wenn der für die Blase verwendete Werkstoff
über eine Einwirkzeit von mehreren Minuten Temperaturen im Bereich von z. B. 80°C
bis 130°C ertragen kann.
Es empfiehlt sich, die beiden Anschlußstutzen in an sich bekannter Weise auf einander
gegenüberliegenden Seiten des Druckgasbehälters vorzusehen. Es ist aber auch
möglich, beide Anschlußstutzen in unmittelbarer Nähe zueinander anzuordnen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Befüllung eines Druckgasbehälters
für ein erfindungsgemäßes Fahrzeug,
Fig. 2 einen Druckgasbehälter mit schwimmendem Kolben für ein
erfindungsgemäßes Fahrzeug,
Fig. 3 einen Druckgasbehälter mit Blase in weitgehend leerem Zustand für ein
erfindungsgemäßes Fahrzeug,
Fig. 4 einen Druckgasbehälter mit Blase in gefülltem Zustand für ein
erfindungsgemäßes Fahrzeug und
Fig. 5 einen Druckgasbehälter mit zwei Anschlußstutzen auf einer Seite für ein
erfindungsgemäßes Fahrzeug.
Aus der Fig. 1 ist der Ablauf der Befüllung eines in einem erfindungsgemäßen
Fahrzeug als Fahrzeugtank vorgesehenen Druckgasbehälters 1 erkennbar. Das
Fahrzeug selbst ist ebenso wie in den weiteren Figuren nicht dargestellt. Der
Druckgasbehälter 1, der vorzugsweise eine zylindrische Grundform hat und auf den
einander gegenüberliegenden Stirnseiten zwei Anschlußstutzen 3, 4 für zwei
Druckgasleitungen 13, 16 aufweist, hat eine gasdichte Behälterwand 2, die das
Füllvolumen des Druckgasbehälters 1 einschließt. Im Inneren des Druckgasbehälters 1
ist eine aus einem bis mindestens 150°C temperaturstabilen Kunststoff bestehende
flexible Blase 5 angeordnet, die mit dem Anschlußstutzen 3 verbunden ist. Auf diese
Weise wird das Innere des Druckgasbehälters 1 in die Volumenteile 6 und 7 aufgeteilt.
Der Teil 6 des Volumens liegt innerhalb der Blase 5, während der Teil 7 des Volumens
zwischen der Außenhülle der Blase 5 und der Behälterwand 2 angeordnet ist. Zur
Durchführung der Betankung ist der Druckgasbehälter 1 an seinem Anschlußstutzen 3
an eine Druckgasleitung 13 angeschlossen, durch die Druckgas aus einem ein
erheblich größeres Volumen als der Druckgasbehälter 1 aufweisenden
Druckgasvorratsbehälter 10 einer Gastankstelle einführbar ist. Die Entnahme einer
Gasfüllung für den Druckgasbehälter 1 aus dem Druckgasvorratsbehälter 10 führt
daher praktisch nicht zu einem Druckabfall im Druckgasvorratsbehälter 10. Der andere
Anschlußstutzen 4 des Druckgasbehälters 1 ist an eine zweite Druckgasleitung 16
angeschlossen, die ebenfalls zum Druckgasvorratsbehälter 10 führt. Die beiden
Druckgasleitungen 13 und 16 können durch Sperrventile 11 und 12 geschlossen
werden. Von der Druckgasleitung 13 zweigt vor dem Anschlußstutzen 3 eine
Gasrückleitung 14 ab, in die eine Gaspumpe 8 eingeschaltet ist. Über ein schaltbares
Ventil 9 kann der Druckgasbehälter 1 wahlweise über die Leitung 13 oder über die
Leitung 14 und die Gaspumpe 8 mit dem Druckgasvorratsbehälter 10 verbunden
werden.
Die Befüllung des Druckgasbehälters 1 in einem erfindungsgemäßen Fahrzeug geht in
der Weise vor sich, daß bei geschlossenem Ventil 12 und geöffnetem Ventil 11 in der
in Fig. 1 gezeigten Stellung des Ventils 9 zunächst Druckgas aus dem
Druckgasvorratsbehälter 10 über die Leitung 13 und den Anschlußstutzen 3 in die
Blase 5 des Druckgasbehälters 1 eingefüllt wird, bis ein Druckausgleich eingetreten ist.
Dies führt dazu, daß sich die Blase 5 in entsprechender Weise gegen das Teilvolumen
7 ausdehnt, so daß die anfangs vorhandene Restfüllung im Teilvolumen 7 des
Druckgasbehälters 1 auf den gleichen Druck komprimiert wird wie der Druck innerhalb
der Blase 5 (Teilvolumen 6). Auf beiden Seiten der Blase 5 herrscht also der gleiche
Druck, so daß keine nennenswerten mechanischen Belastungen auf die Blase 5
einwirken. Im Falle eines praktisch leeren Druckgasbehälters 1 würde sich die Blase 5
weitgehend an die Behälterwand 2 anlegen, wie dies in der schematischen Fig. 3
angedeutet ist. In diesem Stadium des Befüllvorgangs befindet sich wegen der
unvermeidbar eintretenden Erwärmung des eingefüllten Druckgases eine heiße
Gasfüllung von z. B. 70°C bis 90°C in der Blase 5. Sobald der Druckausgleich
eingetreten ist, wird das Ventil 12 geöffnet und das Ventil 9 in der Weise umgeschaltet,
daß die Leitung 14 mit dem Druckgasvorratsbehälter 10 verbunden wird. Durch
Einschalten der Gaspumpe 8 wird nun die heiße Gasfüllung aus der Blase 5 abgesaugt
und gleichzeitig durch eine kalte Gasfüllung ersetzt, die über die Druckgasleitung 16
und den Anschlußstutzen 4 in das Teilvolumen 7 des Druckgasbehälters 1 einströmt.
Der Tankvorgang wird beendet, sobald die heiße Gasfüllung abgesaugt ist. Dieser
Zustand ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Man erkennt, daß die Blase 5 praktisch
leer ist und nahezu der gesamte Innenraum des Druckgasbehälters von dem
Teilvolumen 7 mit der kalten Gasfüllung eingenommen wird. Selbstverständlich könnte
die Befüllung des Druckgasbehälters 1 auch in umgekehrter Weise vorgenommen
werden, wobei zunächst eine warme Austauschfüllung in das Teilvolumen 7 außerhalb
der Blase 5 gegeben wird und die kalte Nutzfüllung danach in die Blase 5 eingefüllt
wird (Teilvolumen 6).
Die Ausstattung eines Druckgasbehälters mit einer inneren Blase stellt eine besonders
einfache, funktionelle und kostengünstige Lösung der Erfindung dar. Die Erfindung ist
jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise könnte anstelle
einer Blase im Druckgasbehälter auch eine verschiebliche starre Trennwand
vorgesehen werden, die, wie dies in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, im Sinne eines
schwimmenden Kolbens entlang der Längsachse des Druckgasbehälters 1
verschieblich ist. Die Bewegungsrichtungen der Trennwand 15 sind durch Pfeile
dargestellt. Bei einem Druckanstieg infolge einer Befüllung beispielsweise im
Teilvolumen 6 würde die Trennwand 15 nach rechts verschoben, so daß dort die
vorhandene Füllung des Teilvolumens 7 in entsprechender Weise komprimiert wird, so
daß zwischen beiden Volumenteilen 6, 7 ein Druckausgleich eintritt. Die Trennwand 15
verhindert eine Vermischung der Gase zwischen den beiden Teilvolumina 6 und 7, so
daß es nicht zu einem nennenswerten Wärmeaustausch kommt. Bei dieser Lösung
kommt es, ebenso wie bei der Ausführungsform mit innerer Blase, nicht unbedingt auf
eine völlige Gasdichtheit der Trennwand an. Ein geringfügiger Übertritt von Gas in das
jeweils andere Teilvolumen ist unbedenklich. Der Gasaustausch darf nur keine so
großen Ausmaße annehmen, daß hierdurch ein nennenswerter Wärmeaustausch
stattfindet.
In Fig. 5 ist eine alternative Ausführungsform des Druckgasbehälters 1 für ein
erfindungsgemäßes Fahrzeug dargestellt, die sich von der Ausführung gemäß den
Fig. 2 bis 4 dadurch unterscheidet, daß die beiden Anschlußstutzen 3, 4 jeweils auf
derselben Seite des Druckgasbehälters 1 dicht nebeneinander angeordnet sind. Auch
bei dieser Lösung wird nach der ersten Füllphase bis zum Austausch der warmen
Gasfüllung durch eine kalte kein nennenswerter Wärmeaustausch eintreten.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht auf eine überraschend einfache Weise eine
vollständige Betankung von Fahrzeugtanks mit Druckgas (z. B. Erdgas oder
Wasserstoff) innerhalb kürzester Zeit, ohne daß der Druckgasbehälter zur
Gewährleistung eines Mindestfülldrucks auf einen höheren Druck aufgefüllt werden
muß.
Claims (7)
1. Fahrzeug mit einem Druckgasbehälter (1) als Fahrzeugtank, der eine gasdichte
Behälterwand (2) und zwei Anschlußstutzen (3, 4) für Druckgasleitungen
aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß das Volumen des Druckgasbehälters (1) durch eine Trennwand in zwei Teile (6, 7) unterteilt ist, wobei jeder der beiden Teile (6, 7) jeweils durch einen der beiden Anschlußstutzen (3, 4) füllbar und entleerbar ist,
- - daß die Trennwand die beiden Teile (6, 7) des Volumens in der Weise voneinander trennt, daß kein nennenswerter unmittelbarer Gasaustausch zwischen den beiden Teilen (6, 7) stattfindet,
- - und daß die Trennwand innerhalb des Druckgasbehälters (1) in der Weise ortsveränderlich angeordnet ist, daß durch Änderung der Befüllung bedingte Druckunterschiede zwischen den beiden Teilen (6, 7) des Volumens durch eine Verlagerung oder Verformung der Trennwand ausgeglichen werden.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trennwand als innerhalb des Druckgasbehälters (1) angeordnete
gasdichte flexible Blase (5) ausgebildet ist, die an einen (3) der beiden
Anschlußstutzen (3, 4) angeschlossen ist.
3. Fahrzeug nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Blase (5) aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit gebildet
ist.
4. Fahrzeug nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Blase (5) aus einer Kunststoffolie gebildet ist.
5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Blase (5) gegen thermische Belastungen durch Temperaturen im
Bereich von 100°C bis 200°C über Einwirkzeiten von mehreren Minuten Dauer
stabil ist.
6. Fahrzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trennwand als innerhalb des Druckgasbehälters (1) angeordnete
verschiebliche starre Wand (15) ausgebildet ist, die im Sinne eines
schwimmenden Kobens entlang der Längsachse des Druckgasbehälters (1)
verschieblich ist.
7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anschlußstutzen (3, 4) für Druckgasleitungen auf einander
gegenüberliegenden Seiten des Druckgasbehälters (1) angeordnet sind.
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