Titel:

Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe

Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Kraftstofffördereinrichtung umfasst eine Hochdruckpumpe, mittels welcher der kryogene Kraftstoff mit Hochdruck beauf schlagbar ist.

Bei dem kryogenen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas („Natural Gas“ = NG) handeln, das an Bord eines Kraftfahrzeugs zum Betreiben einer Brennkraftma schine in flüssiger Form („Liquefied Natural Gas“ = LNG) in einem Tank bevorratet wird.

Stand der Technik

Zur Beaufschlagung von Flüssiggas mit Hochdruck sind aus dem Stand der Technik Fördereinrichtungen bekannt, die eine als Kolbenpumpe ausgeführte Hochdruckpumpe umfassen. Über einen hin und her beweglichen Kolben, der einen Kompressionsraum begrenzt, ist das Flüssiggas mit Hochdruck beaufschlagbar. In Kraftstoffeinspritzsys temen zur LNG-Direkteinspritzung erreicht der Hochdruck Werte über 300 bar. Um den Verlust aufgrund Leckage gering zu halten, gilt es den Hochdruckbereich nach außen abzudichten. Die Abdichtung erfolgt in der Regel über elastisch verformbare Dichtele mente, die zwischen zwei Bauteile eingelegt werden.

Da derartige Abdichtungen keine hundertprozentige Sicherheit geben können, sind fer ner Konzepte bekannt, die ein gezieltes Abführen der Leckagemenge ermöglichen, so dass die Menge dem System erhalten bleibt. Beispielsweise sind Konzepte bekannt, bei denen die Hochdruckdichtung innerhalb eines Niederdruckraums angeordnet ist bzw. von gasförmigem oder flüssigem Erdgas umströmt wird. Die Leckagemenge wird auf diese Weise gezielt dem Niederdruckraum zugeführt. Der Niederdruckraum kann wiederum mit einem Tank verbunden sein, so dass die Leckagemenge über den Nie derdruckraum zurück in den Tank gelangt.

Darüber hinaus sind Konzepte bekannt, bei denen die Hochdruckpumpe zumindest abschnittsweise im Tank angeordnet ist, so dass die Leckagemenge unmittelbar in den Tank entweichen kann. Dieses Konzept ist beispielsweise aus der US 7,293,418 B2 bekannt. Die Anordnung der Hochdruckpumpe im Tank erfordert jedoch einen nicht unerheblichen konstruktiven Aufwand, da der Tank isoliert ist und die Isolierung unter brochen werden muss.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraft stoffe anzugeben, welche die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist. Insbe sondere soll eine Kraftstofffördereinrichtung angegeben werden, die weniger leckage behaftet ist und zudem möglichst einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird die Kraftstofffördereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorgeschlagene Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe umfasst eine Hochdruckpumpe mit einem Gehäuseteil, in dem ein zylinderförmiger Kompressions raum ausgebildet ist, der von einem hin und her beweglichen Kolben begrenzt wird. Er findungsgemäß ist an das Gehäuseteil im Bereich des Kompressionsraums ein weite res Gehäuseteil axial angesetzt, so dass ein gemeinsamer Kontaktbereich geschaffen wird, in dem ein metallischer Dichtbereich zur Abdichtung gegen den Druck im Kom pressionsraum ausgebildet ist.

Die Abdichtung gegenüber Hochdruck wird demnach erfindungsgemäß über eine me tallische Dichtung erreicht, das heißt über metallische Bauteile (hier: die beiden Ge- häuseteile), gegeneinander verspannt sind. Die Dichtwirkung wird über die Flächen pressung erzielt. Um eine optimale Dichtwirkung zu erzielen, weisen die beiden Ge häuseteile im Kontaktbereich eine hohe Oberflächengüte auf.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass im Kontaktbereich in mindes tens einem Gehäuseteil eine umlaufende Nut ausgebildet ist, die zum Abführen einer Leckagemenge über eine Bohrung an einen Niederdruckbereich angeschlossen ist. Reicht die Dichtwirkung der metallischen Dichtung nicht aus, so dass im Betrieb der Hochdruckpumpe, insbesondere während des Verdichtens von Kraftstoff im Kompres sionsraum, Kraftstoff aus dem Kompressionsraum in den Kontaktbereich gelangt, ver hindert die Nut ein Austreten der Leckagemenge. Denn bevor die Leckagemenge nach außen gelangt, wird sie über die Nut und die hieran anschließende Bohrung gezielt abgeführt bzw. einem Niederdruckbereich der Kraftstofffördereinrichtung zugeführt. Die Leckagemenge geht somit nicht verloren und gelangt auch nicht als klimaschädliches Gas in die Umwelt.

Bevorzugt trennt die Nut den metallischen Dichtbereich von einem weiteren metalli schen Dichtbereich, der radial außen in Bezug auf die Nut angeordnet ist. Über den weiteren metallischen Dichtbereich wird eine Abdichtung gegen Niederdruck erreicht, der in der Nut herrscht.

Ferner bevorzugt ist die umlaufende Nut in einer Stirnfläche eines Gehäuseteils aus gebildet, so dass sie von dem jeweils anderen Gehäuseteil abgedeckt wird. Der Quer schnitt der Nut kann rund oder eckig, beispielsweise drei- oder viereckig, insbesondere trapezförmig, sein. Weiterhin vorzugsweise ist die Nut konzentrisch zum Kompressi onsraum angeordnet.

Darüber hinaus kann jedes Gehäuseteil eine umlaufende Nut aufweisen, wobei vor zugsweise jede Nut konzentrisch in Bezug auf den Kompressionsraum und weiterhin vorzugsweise in gleichem radialen Abstand zum Kompressionsraum angeordnet ist.

Die Nuten bilden dann gemeinsam einen Kraftstoffsammelraum aus, der über die Boh rung an einen Niederdruckbereich angeschlossen ist. Bei der erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung ist vorzugsweise die Hoch druckpumpe außerhalb eines Tanks für den kryogenen Kraftstoff angeordnet. Auf diese Weise kann der konstruktive Aufwand zur Isolierung des Tanks so gering wie möglich gehalten werden. Das heißt aber auch, dass die Leckagemenge nicht unmittelbar in den Tank abführbar ist. Daher wird ferner vorgeschlagen, dass die Nut über die Boh rung und den Niederdruckbereich an den Tank angeschlossen ist, so dass auf diese Weise die Leckagemenge zurück in den Tank gelangt.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass im Kontaktbereich der beiden Gehäuseteile in mindestens einem Gehäuseteil eine umlaufende Dichtung eingesetzt ist. Die Dichtung kann insbesondere als Niederdruckdichtung ausgebildet sein, da sie aufgrund der Anbindung der Nut an den Niederdruckbereich nur gegen Niederdruck abzudichten hat, sofern die Dichtung radial außen in Bezug auf die Nut angeordnet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die Leckagemenge über den Kontaktbereich zunächst in die umlaufende Nut gelangt, um dort aufgefangen und über die Bohrung abgeführt zu werden. Die Aufgabe der umlaufenden Dichtung besteht lediglich darin, den Kon taktbereich nach außen abzudichten.

Vorzugsweise umfasst die Dichtung ein elastisch verformbares Dichtelement, bei spielsweise in Form eines Dichtrings, das zwischen den beiden Gehäuseteilen einge spannt ist.

Vorteilhafterweise sind die beiden Gehäuseteile mittels einer Schraubverbindung mit einander verbunden. Über die Schraubverbindung können die beiden Gehäuseteile axial verspannt werden, so dass im Kontaktbereich eine hohe Flächenpressung er zeugt wird, welche die Dichtwirkung der metallischen Dichtung bzw. metallischen Dich tungen im Kontaktbereich erhöht. Vorzugsweise ist die Schraubverbindung radial au ßen in Bezug auf die umlaufende Nut angeordnet, so dass die Flächenpressung radial außen am größten ist. Dadurch wird einer Leckage über den Kontaktbereich nach au ßen entgegengewirkt. Sofern eine umlaufende Dichtung vorgesehen ist, die den Kon taktbereich nach außen abdichtet, ist vorzugsweise die Schraubverbindung radial au ßen in Bezug auf die umlaufende Dichtung angeordnet. Über die Anzugskraft der Schraubverbindung kann eine elastische Verformung der umlaufenden Dichtung be wirkt werden, so dass die Dichtwirkung verbessert wird. Die Schraubverbindung kann mittels mehrerer Befestigungsschrauben hergestellt wer den, die vorzugsweise in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet werden. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige axiale Verspannung der beiden Gehäuseteile si chergestellt.

Alternativ kann die Schraubverbindung mittels einer Überwurfmutter hergestellt wer den.

Als weiterbildende Maßnahme wird ferner vorgeschlagen, dass die umlaufende Nut über eine weitere Bohrung an einen Leckageraum zwischen dem Kolben und dem Ge häuseteil angeschlossen ist, in dem der Kompressionsraum ausgebildet ist. Über die weitere Bohrung und die Nut kann demnach auch eine Leckagemenge gezielt abge führt werden, die über die Führung des Kolbens aus dem Kompressionsraum ent weicht. Der Leckageraum zwischen dem Kolben und dem Gehäuseteil kann dabei durch eine im Kolben und/oder im Gehäuseteil ausgebildete weitere Nut gebildet wer den. Alternativ kann der Kolben einen Abschnitt mit verringertem Außendurchmesser aufweisen, so dass ein Ringraum zwischen dem Kolben und dem Gehäuseteil als Le ckageraum ausgebildet wird.

Bevorzugt ist der Kompressionsraum über ein Säugventil mit einem Zulauf verbindbar. Ist die Verbindung hergestellt, strömt Kraftstoff während des Saughubs aus dem Zulauf in den Kompressionsraum. Über das Säugventil ist demnach der Kompressionsraum mit Kraftstoff befüllbar. Das Säugventil und der Zulauf sind vorzugsweise in dem Ge häuseteil ausgebildet, das dem Pumpenkolben am Kompressionsraum gegenüber liegt, so dass im Saughub des Kolbens der Kompressionsraum optimal befüllt wird.

Ferner bevorzugt ist der Kompressionsraum über ein Auslassventil mit einem Hoch druckkanal verbindbar. Das Auslassventil verhindert, dass bereits verdichteter Kraft stoff bei einem Saughub des Kolbens in den Kompressionsraum zurückströmt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraft stofffördereinrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraft stofffördereinrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraft stofffördereinrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform, und

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraft stofffördereinrichtung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Der Fig. 1 ist eine Hochdruckpumpe 1 einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrich tung für kryogene Kraftstoffe zu entnehmen. Die Hochdruckpumpe 1 umfasst ein erstes Gehäuseteil 2, in dem ein zylinderförmiger Kompressionsraum 3 ausgebildet ist. Der Kompressionsraum 3 wird durch einen hin und her beweglichen Kolben 4 begrenzt, der ebenfalls im ersten Gehäuseteil 2 aufgenommen ist. An das erste Gehäuseteil 2 ist ein zweites Gehäuseteil 5 axial angesetzt, so dass die Stirnflächen beider Gehäuseteile 2, 5 aneinander liegen und einen gemeinsamen Kontaktbereich 6 ausbilden. Die beiden Gehäuseteile 2, 5 sind über eine Schraubverbindung 12 miteinander verbunden, so dass im Kontaktbereich 6 eine hohe Flächenpressung erreicht wird, die zur Ausbildung eines metallischen Dichtbereichs 6.1 führt. Die Abdichtung gegen Hochdruck im Kom pressionsraum 3 wird hier allein über die metallische Dichtung erreicht.

Der Fig. 2 ist eine weitere Hochdruckpumpe 1 einer erfindungsgemäßen Kraftstoffför dereinrichtung zu entnehmen. Bei dieser Hochdruckpumpe 1 ist in der Stirnfläche des zweiten Gehäuseteils 5 eine umlaufende Nut 7 ausgebildet, die durch das erste Ge häuseteil 2 abgedeckt wird. Die umlaufende Nut 7 fängt den Kraftstoff auf, der im Wege der Leckage in den Kontaktbereich 6 gelangt. Um die sich in der Nut 7 sammelnde Le ckagemenge gezielt abzuführen, ist die Nut 7 über eine Bohrung 8 an einen Nieder druckbereich 9 angeschlossen. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Rücklauf handeln, der zurück in einen Tank 10 führt, in dem der kryogene Kraftstoff bevorratet wird. Die Leckagemenge stellt somit keine Verlustmenge dar, sondern bleibt dem Sys tem erhalten. Ferner gelangt die Leckagemenge nicht als klimaschädliches Gas in die Umwelt.

Die Nut 7 trennt den metallischen Dichtbereich 6.1 von einem weiteren metallischen Dichtbereich 6.2, der radial außen in Bezug auf die Nut 7 angeordnet ist und nur noch gegen Niederdruck abzudichten hat, da in der Nut 7 Niederdruck herrscht.

Um sicherzustellen, dass über den Kontaktbereich 6 kein Kraftstoff nach außen ge langt, kann - wie beispielhaft in der Fig. 3 dargestellt - radial außen in Bezug auf die umlaufende Nut 7 zusätzlich eine umlaufende Dichtung 11 in Form eines in einer Nut aufgenommenen Dichtrings angeordnet sein. Die Dichtung 11 ist im zweiten Gehäuse teil 5 aufgenommen und liegt unter einer Vorspannung an dem ersten Gehäuseteil 2 an. Die Vorspannung wird über die Schraubverbindung 12 bewirkt, mittels welcher die beiden Gehäuseteile 2, 5 axial verspannt sind.

Der Fig. 4 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Hochdruckpumpe 1 zu entnehmen. Diese sieht eine Anbindung der umlaufenden Nut 7 an einen Leckage raum 14 vor, der zwischen dem Kolben 4 und dem ersten Gehäuseteil 2 ausgebildet ist. Die Anbindung erfolgt über eine im ersten Gehäuseteil 2 ausgebildete Bohrung 13. Somit ist auch die Leckagemenge über die umlaufende Nut 7 und die Bohrung 8 ab- führbar, die im Wege der Leckage über einen Führungsbereich des Kolbens 4 aus dem Kompressionsraum 3 in den Leckageraum 14 gelangt.

Allen Ausführungsformen gemein ist, dass der Kompressionsraum 3 über ein Säugven til 15 mit einem Zulauf 16 verbindbar ist. Bei einem Saughub des Kolbens 4 öffnet das Säugventil 15, so dass Kraftstoff aus dem Zulauf 16 in den Kompressionsraum 3 strömt. Bei einem Förderhub des Kolbens 4 wird der im Kompressionsraum 3 vorhan dene Kraftstoff verdichtet und anschließend über ein Auslassventil 17 einem Hoch druckkanal 18 zugeführt.