DE4107846A1 - Fluessiggaspumpe, insbesondere fahrzeugtaugliche fluessiggaspumpe fuer kryogenen wasserstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssiggaspumpe, insbesondere fahrzeugtaugliche Flüssiggaspumpe für kryogenen Wasserstoff, nach den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Aus der DE 39 07 728 A1 ist eine gattungsgemäße Flüssiggaspumpe mit einem Zylindergehäuse und einem darin geführten Kolben be­ kannt, dessen Kolbenboden gemeinsam mit dem Zylindergehäuse einen Kompressionsraum bildet, in welchen eine Niederdrucklei­ tung für kryogenen Wasserstoff einmündet, die gegenüber dem Kompressionsraum durch ein Einlaßventil verschließbar ist. Von dem Kompressionsraum führt eine Hochdruckleitung für den unter Druck setzbaren kryogenen Wasserstoff weg, die gegenüber dem Kompressionsraum durch ein Auslaßventil verschließbar ist. Ne­ ben diesem Kompressionsraum ist durch den als Stufenkolben ausgebildeten Kolben ein zweiter Kompressionsraum gebildet, wobei beide Räume untereinander durch einen Gasfilm in Verbin­ dung stehen. In dem Gasfilm wird ein Gasstrom in Richtung des ersten Kompressionsraumes erzeugt, wodurch das kalte Flüssiggas nicht mehr im Gasfilm von dem ersten Kompressionsraum wegströ­ men und somit den Kolben abkühlen kann.

Mit Maßnahmen dieser Art wird eine Reduzierung der Kolbenab­ kühlung erreicht sowie die bei fahrzeugtauglichen Flüssiggaspumpen üblichen Probleme insbesondere hinsichtlich der Abdichtung vermieden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssiggaspumpe der gattungsgemäßen Art mit Maßnahmen zu versehen, die eine gasfilmfreie Lagerung des Kompressionskolbens ermöglichen und mit denen Abdichtprobleme wirksam begegnet werden können.

Zur Lösung der Aufgabe dienen die im Kennzeichen des Patentan­ spruchs 1 angegebenen Merkmale.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen, nämlich die Rückseite des Kompressionskolbens in besonderer Weise zu beaufschlagen, wird eine Leckage der in den Kompressionsraum eingebrachten kryogenen Flüssigkeit vermieden. Durch die Druckdifferenz zwi­ schen der Vorderseite (Kompressionsraum) und der Rückseite des Kompressionskolbens ergibt sich somit ein Übertrittswiderstand zwischen dem Kompressionskolben und dem Zylindergehäuse, der ein Übertreten der kryogenen Flüssigkeit auf die Stickstoff­ seite zuverlässig ausschließt. Die möglicherweise übertretenden geringen Mengen von Stickstoff in den Kompressionsraum sind bedeutungslos.

In den Unteransprüchen sind noch förderliche Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dar­ gestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Flüssiggaspumpe mit einem in einen Haupt­ und Nebenkolbenteil unterteilten Kompressions­ kolben und

Fig. 2 eine andere Ausgestaltung der Flüssiggaspumpe.

Eine Flüssiggaspumpe 1 gemäß Fig. 1, die für Fahrzeugmotoren mit innerer Gemischbildung vorgesehen ist, besteht aus einem Zylindergehäuse 2 mit innenliegend ausgekleidetem Isolierwerk­ stoff 3, z. B. Teflon oder Keramik, und einem längsverschiebbar geführten Kompressionskolben 4, der sich aus einem Hauptkol­ benteil 5, einem Nebenkolbenteil 6 und einer beide Teile ver­ bindenden Kolbenstange 7 zusammensetzt. Hauptkolbenteil 5 und Nebenkolbenteil 6 sind mit Verwirbelungsnuten 6a und 7a verse­ hen, um den Übertrittswiderstand zu erhöhen.

Der Hauptkolbenteil 5 bildet gemeinsam mit dem Zylindergehäuse 2 und einem in diesem fest eingesetzten Einsatzkörper 8 einen Kompressionsraum 9, in den eine an einem Flüssigkeitsspeicher 10 für kryogenen Stickstoff angeschlossene Niederdruckleitung 11 führt und von dem eine mit Zylindern eines Motors (nicht dargestellt) verbundene Hochdruckleitung 12 wegführt Die Niederdruckleitung 11 ist gegenüber dem Kompressionsraum 4 durch ein Einlaßventil 13 und die Hochdruckleitung 12 durch ein Auslaßventil 14 verschließbar. Einlaßventil 13 und Auslaßventil 14 sind im scheibenförmigen Einsatzkörper 8 untergebracht.

Das Zylindergehäuse 2 und der Einsatzkörper 8 sind von einer vom Motor angetriebenen und vier Nocken 15, 16, 17, 18, 19 aufweisenden Nockenwelle 20 durchsetzt, deren mit 17 bezeich­ neter Nocken das Auslaßventil 14 betätigt. Das Einlaßventil 13 ist durch eine sich am Innenbund 21 des Einsatzkörpers 8 ab­ stützende Druckfeder 22 in Schließstellung gehalten, wenn kein Druck in der Niederdruckleitung 11 anliegt.

Auf der dem Kompressionsraum 4 gegenüberliegenden Seite des Hauptkolbenteiles 5 befindet sich ein Beaufschlagungsraum 23, der mit einer aus einem Hochdruckspeicher 24 und einem Niederdruckspeicher 25 bestehenden Stickstoffspeichereinrich­ tung 26 über eine Leitungsanordnung verbunden ist.

Eine im Zylindergehäuse 2 angeordnete Zwischenwand 27 trennt den Beaufschlagungsraum 23 von einem Stickstoffraum 28, in dem der Nebenkolbenteil 6 geführt ist. Die Kolbenstange 7 ist in der Zwischenwand 27 verschiebbar gelagert.

Der Hochdruckspeicher 24 ist mit dem Beaufschlagungsraum 23 durch eine Verbindungsleitung 29 unter Zwischenschaltung eines von dem Nocken 16 der Nockenwelle 20 betätigten Steuerventiles 30 verbunden. Von der Verbindungsleitung 29, und zwar stromauf des Steuerventiles 30, führt eine Abzweigungsleitung 31 eben­ falls unter Zwischenschaltung eines Steuerventiles 32, das von dem Nocken 15 betätigt wird, zu dem Stickstoffraum 28. Von dem Beaufschlagungsraum 23 führt noch eine an dem Niederdruckspei­ cher 25 angeschlossene Verbindungsleitung 33 mit zwischenge­ schaltetem und von dem Nocken 18 betätigtem Steuerventil 34 weg. Stromab dieses Steuerventiles 34 zweigt eine in den Stickstoffraum 28 einmündende Nebenleitung 35 mit einem Steu­ erventil 36 ab, das von dem mit 19 bezeichneten Nocken betätigt wird. Der rückseitige Raum 37 des Nebenkolbenteiles 6 ist mit der zum Niederdruckspeicher 25 führenden Verbindungsleitung 33 durch eine Leitung 38 verbunden.

In der Niederdruckleitung 11 ist ein bei Stillstand des Motors den Durchlaß des Wasserstoffes sperrendes Abschaltventil 39 und in der vom Hochdruckspeicher 24 wegführenden Verbindungsleitung ein weiteres Abschaltventil 40 vorgesehen. Beide Abschaltven­ tile 39, 40 werden vor oder mit Inbetriebnahme des Motors auf Durchgang geschaltet. Eine von der Verbindungsleitung 33 abge­ hende Belüftungsleitung 41 ist durch ein Absperrventil 42 ver­ schließbar.

Die Hochdruckleitung 12 ist mit Abzweigungen 43, 44 versehen, deren Anzahl der Zylinderzahl des Motors entspricht. Jede Ab­ zweigung 43, 44 führt über ein gesteuertes Ventil 45, 46 zur entsprechenden Einspritzdüse 47, 48. Die Ventile 45, 46 werden durch ein von Betriebsparametern des Motors abhängiges Steuer­ gerät 49 angesteuert, ebenso können die Abschaltventile 39, 40 und das Absperrventil 42 angesteuert werden.

Wirkungsweise

Zunächst werden die Abschaltventile 39 und 40 geöffnet. Kryogener Wasserstoff aus dem Flüssigkeitsspeicher 10 bei einem Druck von ca. 2 bar öffnet gegen die Kraft der Feder 22 das Einlaßventil 13 und strömt in den Kompressionsraum 9 ein. Der rückseitig liegende Beaufschlagungsraum 23 ist über das Ab­ sperrventil 42 in der gedrosselt ausgeführten Entlüftungslei­ tung 41 entlüftet. Beim Anlassen des Motors dreht sich die Nockenwelle 20, das Absperrventil 42 ist geschlossen und das Steuerventil 30 sowie das Steuerventil 36 und das Auslaßventil 14 öffnen. Der Hauptkolbenteil 5 des Kompressionskolbens 4 wird durch den unter hohem Druck von etwa 80 bar stehenden Stick­ stoff beaufschlagt, das Einlaßventil 13 wird mit Hilfe der Fe­ der 22 geschlossen und flüssiger Wasserstoff unter Druck aus dem Kompressionsraum 9 in die Hochdruckleitung 12 gepreßt und durch entsprechende Ansteuerung der Ventile 45 und 46 über die Einspritzdüsen 47 und 48 in zugeordnete Zylinder des Motors gespritzt.

In der gegenläufigen Bewegung bzw. Ansaugphase des Kompressi­ onskolbens 4 sind das Auslaßventil 14, die Steuerventile 30 und 36 geschlossen, während das Einlaßventil 13 und die Steuerven­ tile 32 und 34 geöffnet sind. Der unter Hochdruck über-die Ab­ zweigungsleitung 31 in den Stickstoffraum 28 einströmende Stickstoff drückt den Nebenkolbenteil 6 an den deckelseitigen Anschlag 50. Dabei wird flüssiger Wasserstoff in den Kompres­ sionsraum 9 eingezogen, zugleich Stickstoff aus dem Beauf­ schlagungsraum 23 in die zum Niederdruckspeicher 25 führende Verbindungsleitung 33 verdrängt.

Beim Abstellen des Motors werden die Abschaltventile 39 und 40 geschlossen und das Entlüftungsventil 42 geöffnet.

Anstelle der Nockenwelle für die mechanische Betätigung der Steuerventile sowie des Auslaßventiles kann auch eine An­ steuerungsmöglichkeit elektromagnetischer Art vorgenommen wer­ den.

Um eine gleichmäßige Versorgung der Motorzylinder mit Wasser­ stoff sicherzustellen, sind mindestens zwei Flüssiggaspumpen vorzusehen, die im Gegentakt arbeiten, damit jeweils in einem Kompressionsraum der kryogene Wasserstoff unter Hochdruck steht.

In Fig. 2 weist der Kompressionskolben 4 eine Kolbenlänge auf, die größer als der Kolbenhub ist. Das hier in der Niederdruck­ leitung 11 eingebaute Einlaßventil 13 ist ein Rückschlagventil, das öffnet, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Druck in der zum Flüssigkeitsspeicher 10 führenden Niederdruckleitung 11 und dem Kompressionsraum 9 einen Wert von etwa 1 bar über­ steigt.

Das Auslaßventil 14 ist ein Rückschlagventil, das öffnet, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Kompressionsraum 9 und dem Druck in der Hochdruckleitung 12 stromab des Auslaßventiles 14 um wenige bar größer ist als der Druck im Flüssigkeitsspei­ cher 10. In der Hochdruckleitung 12 sind noch ein Verdampfer 52 und ein Zwischenspeicher 53 vorgesehen, wobei stromauf des Verdampfers 52 ein Rückschlagventil 54 liegt.

Wirkungsweise

In der dargestellten Position des Kompressionskolbens 4 ist aus dem Flüssigkeitsspeicher 10 flüssiger Wasserstoff unter einem Druck von etwa 4 bar über das offene Einlaßventil in den Kom­ pressionsraum 9 eingeströmt. Das dem Hochdruckspeicher zuge­ ordnete Steuerventil 30 und das Auslaßventil 14 sind geschlos­ sen.

In der Kompressionsphase wird das nockenbetätigte oder elek­ tromagnetisch gesteuerte Steuerventil 30 geöffnet, das Steuer­ ventil 34 für den Niederdruckspeicher 25 ist geschlossen.

Da der sich im Kompressionsraum 9 aufbauende Druck viel größer ist als der Druck im Flüssigkeitsspeicher 10, schließt das Einlaßventil 13, das Auslaßventil 14 dagegen öffnet. Wenn der Kompressionskolben 4 seinen Anschlag erreicht hat, wird das Steuerventil 30 geschlossen, das Steuerventil 34 geöffnet. Der Kompressionskolben 4 bewegt sich zunächst unter einem höheren Restdruck, dann unter dem Druck im Flüssigkeitsspeicher 10 in die entgegengesetzte Richtung (in Fig. 2 nach links), wobei sich der Kompressionsraum 9 mit flüssigem Wasserstoff füllt. Der Zwischenspeicher 52 weist ein Fassungsvermögen von etwa einem Liter Wasserstoff auf. Unter einem Mindestdruck von etwa 75 bar wird gasförmiger Wasserstoff über die wie in Fig. 1 gleichermaßen wirkenden Ventile 45, 46 den Einspritzdüsen 47, 48 zugeführt.

Mit 55 ist ein Anschluß für eine weitere Flüssiggaspumpe vor­ gesehen.

Claims (10)

1. Flüssiggaspumpe, insbesondere fahrzeugtaugliche Flüssig­ gaspumpe für kryogenen Wasserstoff, bestehend aus einem Zylin­ dergehäuse mit einem darin längsverschiebbar geführten Kom­ pressionskolben, der einen Kompressionsraum für kryogene Flüs­ sigkeit begrenzt, mit einer von einem Flüssigkeitsspeicher ausgehenden und in den Kompressionsraum einmündenden Nieder­ druckleitung, die gegenüber dem Kompressionsraum durch ein Einlaßventil verschließbar ist, und mit einer von dem Kompres­ sionsraum wegführenden Hochdruckleitung, die bei unter hohem Druck gesetzter kryogener Flüssigkeit durch ein Auslaßventil geöffnet ist, dadurch gekennzeichnet daß der Kompressionskolben (4) auf seiner dem Kompressionsraum (9) abgewandten Seite mit einer Stickstoffspeichereinrichtung (26) in Wirkverbindung steht und mit einem mindestens dem Kom­ pressionsdruck im Kompressionsraum (9) entsprechenden Spei­ cherdruck steuerbar beaufschlagbar ist.

2. Flüssiggaspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Stickstoffspeichereinrichtung (26) aus einem Hoch­ druckspeicher (24) mit einem Speicherdruck von z. B. 80 bar und einem Niederdruckspeicher (25) mit einem Speicherdruck von z. B. 1 bar besteht und daß jeder Speicher über Steuerventile (30, 34) aufweisende Verbindungsleitungen (29, 33) mit einem im Zy­ lindergehäuse (2) auf der dem Kompressionsraum (9) abgewandten Seite des Kompressionskolbens (4) vorgesehenen Beaufschla­ gungsraum (23) verbunden ist.

3. Flüssiggaspumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventile (30, 34) und das Auslaßventil (14) durch abhängige Einflußgrößen von der Brennkraftmaschine steuerbar sind, derart, daß bei Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine in der Kompressionsphase das dem Hochdruckspeicher (24) zugeord­ nete Steuerventil (30) und das Auslaßventil (14) in der Hoch­ druckleitung (12) öffnen und zugleich das federbelastete Ein­ laßventil (13) selbsttätig schließt.

4. Flüssiggaspumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Einflußgröße eine von der Brennkraftmaschine angetrie­ bene Nockenwelle (20) dient, die das Zylindergehäuse (2) und einen in diesem fest angeordneten und den Kompressionsraum (9) begrenzenden Einsatzkörper (8) durchsetzt, in welchem das von der Nockenwelle (20) betätigte Auslaßventil (14) und das federbelastete Einlaßventil (13) eingesetzt sind.

5. Flüssiggaspumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionskolben (9) als Doppelkolben ausgebildet ist, dessen im Kompressionsraum wirkender Hauptkolbenteil (5) über eine Kolbenstange (7) mit dem in einem Stickstoffraum (28) geführten Nebenkolbenteil (6) verbunden ist, wobei der Stick­ stoffraum (28) und der Beaufschlagungsraum (23) durch eine Zwischenwand 27 im Zylindergehäuse (2) voneinander getrennt sind.

6. Flüssiggaspumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoffraum (28) und der Hochdruckspeicher (24) durch eine von der Verbindungsleitung (29) stromauf des nockenbetätigten Steuerventiles (30) wegführende Abzweigungs­ leitung (31) in Verbindung stehen, in der ein ebenfalls von der Nockenwelle (20) betätigtes Steuerventil (32) angeordnet ist, das in der Ansaugphase geöffnet ist, während das Steuerventil (30) in der Verbindungsleitung (29) geschlossen ist, und daß eine von dem Stickstoffraum (28) wegführende Nebenleitung (35) an der mit dem Niederdruckspeicher (25) verbundenen Verbin­ dungsleitung (33) stromab des nockenbetätigten Steuerventiles (34) angeschlossen ist und ebenfalls ein nockenbetätigtes Steuerventil (36) aufweist, das in der Kompressionsphase im Gegensatz zum anderen Steuerventil (34) geöffnet ist.

7. Flüssiggaspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Kompressionsraum (9) verbundene Niederdruck­ leitung (11) sowie die an dem Hochdruckspeicher (24) ange­ schlossene Verbindungsleitung (29) jeweils ein Abschaltventil (39, 40) aufweisen.

8. Flüssiggaspumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionskolben (4) eine gegenüber dem Kolbenhub größere Kolbenlänge aufweist.

9. Flüssiggaspumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hochdruckleitung (12) stromab des Auslaßventiles (14) in Reihe ein Rückschlagventil (54) und Verdampfer (52) sowie ein Zwischenspeicher (53) angeordnet sind.

10. Flüssiggaspumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (14) ein Rückschlagventil ist, das bei einer bestimmten Druckdifferenz öffnet.