具有容积元件的机动车辆的油箱
技术领域
本发明涉及机动车辆中用于接纳具体为燃料的液体的油箱。所述油箱具有可变容积的充气容积元件。
背景技术
由于碳氢化合物对环境的有害影响，必须尽最大可能地避免来自燃料箱的碳氢化合物排放。碳氢化合物蒸气是由于燃料中的碳氢化合物的高分压造成的，尤其是在高温下。三个重要过程促使碳氢化合物蒸气可能从燃料箱中逸出。一个过程是碳氢化合物分子渗透通过油箱的外壁。这个过程在很大程度上已被理解，并且目前的解决方案已经导致排放量的充分减少。第二个过程是加燃料过程。用液体燃料填充油箱需要置换油箱中存在的充满碳氢化合物的气体。收集这些气体有两种主要方法：使用大型活性炭过滤器(activecarbon filter，ACF)的车载加燃料蒸气回收(onboard refueling vapor recovery，ORVR)，或通过抽吸使气体通过加油站的加燃料喷嘴。第三，当车辆停放或内燃机不运转时，由于环境温度的变化而排放出气体，即所谓的昼夜排放或停车排放。当定期实行活性炭过滤器的充分净化过程时，这些排放物也可使用活性炭过滤器来处理。为此，内燃机通常必须运行。这可能相对复杂，尤其是在具有电动机和内燃机的混合动力车辆中，因为内燃机并不总是在运行中。
一种用于减少HC排放而不封锁油箱的选项是实施无压油箱，所述无压油箱具有通过容积变化补偿所得气体体积的集成容积元件。为此，关于碳氢化合物排放，必须尽可能紧密地密封容积元件，使得其内部始终含有空气，空气可被压出油箱系统并且直接进入大气中，或者被吸入油箱系统中。另外，容积元件必须易于变形，使得几毫巴的非常小的压力差就足以确保完全填充和排空。另外，容积元件的容积必须设计为使得当温度升高时由于蒸发而产生的气体容积直到饱和点之前可以以压力中性方式进行补偿。
WO 2016/012284公开了容积元件的各种实施方式，并且还描述了由弹性材料制成的气囊以及由刚性元件制成的折叠膜结构和折叠结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种机动车辆的油箱，具体为燃料箱，其具有简单的设计，并且允许机动车辆尽可能低的维护和可靠的操作。
这个目的通过独立权利要求的特征来实现。从属权利要求的主题涉及本发明的有利实施方式。
所述目的通过一种具体设计为燃料箱的油箱来实现。所述油箱设计为用于放置在机动车辆中并用于接纳液体。机动车辆具体为公路车辆，例如客车、卡车或摩托车。具体地，机动车辆优选地是具有电动机和内燃机的混合动力车辆。待由油箱接纳的液体优选为燃料，例如汽油或柴油。
油箱包括外壁。这个外壁形成用于接纳液体的内部空间。油箱还包括位于内部空间中的至少一个容积元件。容积元件设计用于接收气体。具体地，气体是来自油箱周围环境的空气。
因而，除了由容积元件占据的容积之外，由外壁形成的容器容积可用于接纳液体。
另外，油箱包括位于容积元件与油箱的周围环境之间的管线。所述管线穿过外壁以气体传导方式将容积元件连接至周围环境。气体可通过管线从容积元件流出到外部，并且可从外部流入容积元件中。这导致容积元件中的气体质量的改变，使得当内部空间中的压力和/或内部空间中的填充量改变时，容积元件的容积也改变。
具体地，所述气体从大气中抽出或从管线流回大气中的空气。具体地说，空气穿过优选为灰尘过滤器的过滤器流出容积容器进入大气中。
在本文公开的所有变型中，容积元件可优选地由柔性和/或弹性材料制成。例如，柔性材料是薄膜。弹性材料可在扭结处在多处拉伸，使得可避免损坏。容积元件还可被称为气囊。
具体地，容积元件可由平坦的、折叠的、折皱的和/或卷起的结构形成。这个结构可由柔性和/或弹性材料制成。
具体地，当油箱完全充满液体时，容积元件的容积最小，并且当液体从油箱中抽出时，容积元件被连续填充气体。自然地，与没有这种容积元件而其他方面相同的油箱相比，有可能在所述油箱中在液面上方仅形成较少量的燃料蒸气。结合油箱的再填充，容积元件接着被排空到周围环境中。下面解释容积元件的交替操作模式：当油箱中的燃料的饱和蒸气气压改变时(例如，当车辆停放时)，这种改变可得到补偿。例如，当燃料温度在一天中大幅波动(例如，早上20℃，下午40℃，晚上20℃)时，饱和蒸气气压的变化由容积元件补偿。容积元件的容积在最高燃料温度下最小，而其容积在最低燃料温度下最大。WO 2016/012284详细描述了容积元件的运作。
对于呼吸所必要的容积变化，即容积元件与周围环境之间的气体交换，可在容积元件中形成折叠部，这导致材料在扭结区域中具有高应力状态。具体地，在排空期间，即在容积元件的容积减小期间，出现折叠部。
根据本发明的油箱优选地包括至少一个稳定组件，其用于最小化在容积元件排空期间可能在容积元件的这些扭结处发生的应力。具体地，经由至少一个稳定组件，减小了应力，因为减小了此类扭结的发展，和/或保持扭结处的半径尽可能大，和/或容积元件具有弹性设计。因而，可避免对容积元件的损坏，尤其是对于循环机械负载(例如，油箱系统上的交变压力应力)以及容积元件的泄漏。
这里描述的多个容积元件还可位于油箱的内部空间中。容积元件及其稳定组件可具有相同或不同的设计。另外，单个容积元件可具有这里描述的多个稳定组件。因而，这里描述的稳定组件可结合同一容积元件而彼此组合。
优选设置的是，稳定组件在容积元件的内部具有涂层和/或内部主体。当容积元件被排空到其最小容积时，容积元件至少部分地靠在内部主体上。这确保了容积元件的残留容积，其中“残留容积”由内部主体填充，并且任选地在剩余空腔中由气体填充。由于作为内部主体的结果，容积元件没有完全塌陷，所以避免了扭结，并且任何产生的扭结均具有最大可能半径。
优选设置的是，内部主体的体积与容积元件的最大容积的比率为至多1/20，优选至多1/10，特别优选至多1/5。对于高度可压缩的内部主体(例如，柔性泡沫)的情况，压缩体积被应用于计算，即空容积元件的情况。
内部主体优选具有可弹性变形的设计。根据容积元件的设计，容积元件在每次排空操作期间可呈现不同的几何形状或形状。因而，容积元件可始终不同地收缩、折叠、卷起或起皱。内部主体在容积元件排空期间可容易变形，并且形成用于收紧容积元件的反压力。可弹性变形的内部主体可始终代表容积元件的最佳接触表面，以便在很大程度上避免扭结。
可弹性变形的内部主体优选由充气气囊形成。这个气囊位于容积元件的内部，并且是封闭的，使得气囊中始终存在相同质量的气体。具体地，封闭的气囊填充有空气。
另外，设置的是，内部主体由可弹性变形的材料制成。这种可弹性变形的材料例如是泡沫材料，具体为泡沫或弹性体。
另外，优选设置的是，内部主体不仅是可弹性变形的，而且是可弹性压缩的。为此，优选设置的是，内部主体由开孔(还称为开放)泡沫制成。具体地，当内部主体可弹性压缩时，内部主体的体积(在其未压缩状态下)与容积元件的最大容积的比率可相对较大，具体是至少1/4，优选至少1/3。
另外，优选设置的是，内部主体设计成弹性结构。该弹性结构是可弹性变形的。然而，该弹性结构是可弹性变形的，主要是由于其几何设计，而不是其制造材料的类型。在容积元件排空期间，弹性结构发生弹性变形，并且因而在容积元件上累积反压力，以用于收紧容积元件。
具体地，弹性结构由可变形中空体形成。例如，中空体是球形、卵形或圆柱形的。该圆柱形形状优选由卷成的薄膜形成。中空体优选具有相对较小的壁厚度，使得其由于其几何设计而可变形。中空体的壁厚度优选为至多5mm，具体优选为至多3mm。
弹性结构可由刚性材料或弹性材料制成。还有可能的是结构的部分由刚性材料制成，并且结构的另一部分由弹性材料制成。
优选设置的是，内部主体设计成框架。具体地，框架具有圆形或椭圆形形状。框架优选是刚性的，并且因此不可变形或基本不可变形。具体地，框架在容积元件的膨胀状态下不确定容积元件的形状，而是仅确保容积元件在被排空时收紧。
另外，设置的是，内部框架是多边形的，并且因而具有多个相互成角度的侧部。在膨胀状态下，容积元件靠在框架上，并且在膨胀期间向内压侧部。这是因为在膨胀期间容积元件的容积在垂直于框架的两个方向上增加，使得靠在框架上的容积元件的圆周可变形。
框架可松散地布置在容积元件的内部。替代地，还有可能将框架固定至容积元件的适当位置，使得定义框架在容积元件内的位置。
内部主体具体设计成框架或弹性元件，优选是平坦的。这导致容积元件在排空状态下具有扁平形状，其中处于排空状态的残留容积由内部主体决定。
还有可能的是具有相同或不同设计的多个所述内部主体位于同一容积元件内。
另外，可组合内部主体的所述实施方式以形成单个内部主体。至少优选提供以下组合：(i)具体地，内部主体可包括封闭的充气气囊，可弹性变形材料位于气囊的表面上。(ii)具体地，内部主体可设计成弹性结构，并且可额外具有带有可弹性变形材料的区域。(iii)具体地，内部主体可具有刚性框架，并且可额外具有带有可弹性变形材料的区域和/或带有弹性结构的区域。
下面描述稳定组件的另外有利实施方式，它们可彼此组合，并且还可与至少一个内部主体组合：
优选设置的是，稳定组件包括稳定框架。稳定框架固定连接至容积元件。稳定框架优选围绕容积元件的整个圆周延伸。
稳定框架可紧固到容积元件的内侧和/或外侧和/或形成容积元件的壁的内部。具体地，容积元件优选由两个壳形柔性部件形成，稳定框架位于两个部件之间的接缝区域上和/或接缝区域中。如果稳定框架位于容积元件的内部，则其还可被认为是内部主体。
优选设置的是，稳定框架是多边形的，并且因而具有多个相互成角度的侧部。稳定框架优选具有至少三个或更多个侧部。侧部优选向内弯曲。在膨胀期间，容积元件的容积在垂直于框架的两个方向上增加。在所述过程中，稳定框架保持基本上尺寸稳定，其中向内弯曲的侧部可稍微向内变形。
优选设置的是，稳定组件由容积元件和包围容积元件的外部气囊形成。当容积元件具有足够的柔性和/或弹性时，大大避免了在收缩期间形成折叠和对应的是扭结。
在这种配置中，容积元件优选由弹性体或含硅材料制成。这些材料具有很高的最大断裂伸长率，这使得由这种材料制成的气囊能够抵抗压曲负载。与热塑性阻隔材料相比，目前市场上可获得的弹性体的缺点是耐燃料性不足，或者碳氢化合物排放增加。因此，这里建议使用包围容积元件的外部气囊，所述外部气囊耐燃料，并设计成阻挡碳氢化合物。具体地，允许最低可能碳氢化合物排放的合适材料用于这个外部气囊。
外部气囊可平坦且整体地接合到容积元件。
替代地，还有可能的是容积元件单独位于外部气囊内，以及不平坦地接合到外部气囊。例如，外部气囊仅在容积元件的开口的区域中紧固到容积元件，或者外部气囊紧固到向外引导管线。
另外，优选设置的是，至少在某些地方，稳定组件具有容积元件的涂层。涂层可施加到容积元件的内侧和/或外侧。可在内侧上使用与外侧不同的材料或相同的材料。具体地，考虑内侧上的涂层的材料对所使用的气体有抵抗性，并且外侧上的材料对液体有抵抗性。
涂层优选由弹性材料制成。具体地，涂层包括氟橡胶(FKM)、丁腈橡胶(NBR)或氟硅橡胶(FVMQ)。
当使用涂层时，容积元件优选由平坦的、折叠的、皱折的或卷起的结构制成，所述结构由弹性很小或没有弹性的材料制成，例如薄膜。涂层一方面加强可能的扭结，并且另一方面形成弹性设计，以便避免容积元件处的泄漏。
根据另一优选设计，设置的是，稳定组件包括至少一个弹性张力元件，所述弹性张力元件位于内部空间中，并且在容积元件外部。张力元件因而延伸穿过内部空间，并且被紧固到容积元件，并还被紧固到外壁或油箱内的某个其他固体元件。张力元件设计成对容积元件施加张力，具体的是当容积元件没有完全膨胀时。具体地，多个这些张力元件可位于容积元件上的各种位置处。
具体地，所述至少一个张力元件位于容积元件上，使得容积元件随着容积减小而被拉平。因而，可防止容积元件在排空期间形成扭结。
所述至少一个张力元件优选设计成弹簧，例如金属螺旋弹簧或弹性体元件。
优选设置的是，稳定组件由容积元件的双壳设计形成。容积元件因而包括刚性第一壳体和柔性第二壳体。这两个壳体一起形成容积元件的气体接纳容积。在容积元件排空期间，刚性壳体保持不变，其中柔性壳体可搁置在刚性壳体中，从而减小容积。在排空期间，刚性壳体将柔性壳体保持处于限定的形状，因此避免无阻碍地形成扭结。
根据一种设计，刚性壳体位于顶部，并且柔性壳体位于底部。因而，油箱中的液体的柔性壳体面向油箱中的液体，并且通向管线的开口优选位于刚性第一壳体上。
替代地，刚性壳体位于底部。具体地，下部壳体因而与液体形成接触。刚性壳体比柔性壳体更能避免碳氢化合物渗透。因此，刚性壳体可(例如)由适当材料制成，并且具有适当厚度。
优选设置的是，柔性壳体设计成比刚性壳体要小(具有较小容积)，使得柔性壳体在容积元件的排空状态下收紧，并形成很少折叠或没有折叠。为此，柔性壳体优选由可拉伸材料制成，具体为弹性体，任选地具有涂层，或者由非弹性薄膜制成。
根据容积元件的双壳形成的一种变型，设置的是，刚性壳体由刚性塑料或金属制成，并且柔性壳体紧固到刚性壳体，具体是整体结合到刚性壳体。刚性壳体还可由柔韧薄膜形成，所述柔韧薄膜接合到诸如栅格的刚性结构，例如，焊接到诸如栅格的刚性结构。
根据容积元件的双壳形成的另一种变型，设置的是，整个容积元件由可拉伸气囊形成，具体是由弹性体制成。刚性壳体由刚性壳体框架产生，所述刚性壳体框架固定地连接至气囊的部分。壳体框架具有壳形设计。设置的是，这种壳体框架位于气囊的内侧和/或外侧。气囊的没有靠在壳体框架上的部分在这里充当柔性壳体。
在双壳设计中，第一壳体与第二壳体之间的部分形成圆周几何形状。“圆周几何形状”由两个壳体之间的接缝或由壳体框架的形状决定。圆周几何形状可为圆形、椭圆形或多边形的。对于多边形形状，具体设置的是，多边形的边向内弯曲。
还优选设置的是，稳定组件包括位于管线中的截止阀。截止阀用于堵塞管线，并且因而防止周围环境与容积元件之间的气体交换。截止阀可位于内部空间中、外壁中或外壁外部。截止阀用于维持大于0的残留容积(容积元件)。
稳定组件特别优选地包括控制装置。这个控制装置设计用于在达到残留容积时关闭截止阀。
具体地，控制装置包括检测单元，所述检测单元例如经由传感器或来自高阶单元的数据来检测何时达到残留容积。基于这个检测到的状态，控制装置可例如电磁地关闭截止阀。控制装置还优选地设计成重新打开截止阀，并且再次允许周围环境与元件之间的气体交换。
控制装置还可机械地检测何时达到残留容积。具体地，设置的是，容积元件的移动机械地致动所述阀。
所描述的稳定组件可在不同容积元件和/或相同容积元件处在油箱内彼此组合。因而，例如，内部主体中的至少一个和/或稳定框架和/或容积元件连同外部气囊和/或容积元件的涂层和/或张力元件中的至少一个和/或双壳设计和/或截止阀可在容积元件上一起使用。
本发明还包括所述油箱中的一个，其不必包括稳定组件。然而，这个油箱也可包括所述稳定组件中的一个或多个。对于油箱，考虑更换容积元件可能是必要的，不管有或没有稳定组件，因为例如由于扭结处的应力，泄漏可能导致容积元件。
为了允许机动车辆在不更换整个油箱的情况下进行可靠运行，设置的是，容积元件可更换地位于油箱的内部空间中。为此，外壁包括维修开口，所述维修开口设计用于将容积元件从内部空间移除和重新插入内部空间中。因而，维修开口足够大，以便至少在其排空状态下更换容积元件。维修开口可为手孔，无论如何，大多数油箱中都存在手孔，或者是外壁中的附加开口。
油箱优选地包括在内部空间中位于管线上的连接元件，具体是不用工具即可致动的连接元件。容积元件可经由这个连接元件附接到管线上和从管线上移除，具体是不使用工具。例如，连接元件包括联管螺母或卡口锁。
另外地或作为使用连接元件的替代方式，优选设置的是，维修开口由形成外壁的部分的盖子封闭。管线穿过这个盖子。容积元件特别优选地仅紧固到这个盖子上，例如经由管线。通过移除盖子，容积元件同时从内部空间中取出。可将新的容积元件附接到盖子上并与盖子一起插入。
附图说明
本发明的进一步细节、优点和特征来自以下参考附图对示例性实施方式的描述，在附图中：
图1示出了根据本发明的油箱的示意图，所述油箱具有容积元件和设计成充气气囊的内部主体，
图2示出了根据本发明的油箱的示意图，所述油箱具有容积元件和由可弹性变形材料制成的内部主体，
图3示出了根据本发明的油箱的示意图，所述油箱具有容积元件和设计成弹性结构的内部主体，
图4示出了根据本发明的油箱的示意图，所述油箱具有容积元件和设计成圆形或椭圆形框架的内部主体，
图4A示出了根据本发明的油箱的示意图，所述油箱具有容积元件和设计成多边形框架的内部主体，
图4B示出了容积元件连同稳定框架的示意图，
图5示出了根据本发明的油箱的示意图，所述油箱具有容积元件和张力元件，
图6示出了根据本发明的油箱的示意图，所述油箱具有容积元件和外部气囊，
图7示出了根据本发明的油箱的示意图，所述油箱具有双壳容积元件，
图8示出了根据本发明的油箱的示意图，所述油箱具有带壳体框架的双壳容积元件，
图9示出了图8的壳体框架的示意图，
图10示出了根据本发明的油箱的示意图，所述油箱具有容积元件和截止阀，
图11示出了根据本发明的油箱的示意图，所述油箱具有根据第一变型的可更换容积元件，以及
图12示出了根据本发明的油箱的示意图，所述油箱具有根据第二变型的可更换容积元件。
具体实施方式
附图示出了设计为车辆燃料箱的油箱1的严格示意图。油箱1包括外壁2，外壁2形成用于接纳燃料的内部空间3。容积元件4位于内部空间3中。容积元件4经由管线5连接至周围环境。
容积元件4的容积作为内部空间3中的填充水平和/或内部压力的函数而变化，其中，具体为空气的气体经由管线5从容积元件4被挤出或抽出到外部。
图1至图10输出了稳定组件6的不同实施方式。如引言部分所述，这些稳定组件6可彼此组合。为了清楚且直接地示出稳定组件6的各种变型，参考附图来单独描述这些变型，尽管它们可彼此组合。
优选设置的是，稳定组件6包括在容积元件4内部的至少一个内部主体61至64。参考图1至图4更详细地描述这种内部主体61至64的示例。
图1示出了油箱1的示意图，油箱1具有容积元件4和设计成充气气囊的内部主体61。充气气囊是可弹性变形的。气囊位于容积元件4内部，并且是封闭的，使得气囊中始终存在相同质量的气体。具体地，封闭的气囊填充有空气。
图2示出了油箱1连同容积元件4和由可弹性变形材料制成的平坦内部主体62的示意图。这个内部主体62不仅是可弹性变形的，而且是可弹性压缩的。为此，内部主体62由开孔海绵制成。
图3示出了具有容积元件4和作为内部主体63的弹性结构的油箱1的示意图。弹性结构是可弹性变形的。弹性结构由可变形中空体形成。在这种情况下，空心体是圆柱形的。
图4示出了具有容积元件4和作为内部主体64的扁平框架的油箱1的示意图。框架具有圆形或椭圆形形状。具体地，框架是刚性的，并且因而不可变形或基本上不可变形。框架在容积元件4的膨胀状态下不确定容积元件4的形状，而是仅仅确保在容积元件4被排空时收紧容积元件4。
图4A示出了具有容积元件4和作为内部主体64的扁平框架的油箱1的示意图。框架具有五边形形状。处于膨胀状态的容积元件4靠在框架上，并且在膨胀期间向内压侧部。
图4B示出了容积元件4和作为稳定组件6的稳定框架69的示意图。稳定框架69固定连接至容积元件4。稳定框架69围绕容积元件4的整个圆周延伸。容积元件4在这里举例来说由两个壳形柔性部分形成，稳定框架69位于两个部分之间的接缝区域中。
稳定框架69具有五边形形状。侧部向内弯曲。在膨胀期间，容积元件4的容积在垂直于稳定框架69的两个方向上增加。稳定框架69保持尺寸基本稳定，其中向内弯曲的侧部可稍微向内变形。
图5示出了具有容积元件4的油箱1的示意图。稳定组件6在这里由张力元件65形成。至少当容积元件4被排空时，张力元件65对容积元件4施加张力。因而，容积元件4在排空状态下被拉平。
图6示出了具有容积元件4的油箱1的示意图。稳定组件6由容积元件4本身和包围容积元件4的外部气囊66形成。容积元件4设计成可收缩和膨胀的弹性气囊。代表容积元件4的内部气囊仅位于外部气囊66内，并且没有平坦地接合到外部气囊66。
图7示出了具有容积元件4的油箱1的示意图。稳定组件6由容积元件4的双壳设计形成。因而，容积元件4包括刚性第一壳体671和柔性第二壳体672。通向管线5的开口位于刚性第一壳体671上。两个壳体671、672共同形成容积元件4的气体接纳容积。刚性壳体671在排空容积元件4期间保持不变，其中，柔性壳体672的容积减小。
图8示出了具有容积元件4的油箱1的示意图。稳定组件6由容积元件4的双壳设计形成。整个容积元件4由可拉伸气囊形成，具体是由弹性体制成。刚性壳体671由刚性壳体框架673产生，刚性壳体框架673固定地连接至气囊的部分。图9示出了这个壳体框架673的俯视图。壳体框架673具有壳体形状。假设的是，此类壳体框架673设置在气囊的内侧和/或外侧上。气囊的不抵靠壳体框架673的部分在这里用作柔性壳体672。
图10示出了具有容积元件4的油箱1的示意图。稳定组件6由管线5中的截止阀681形成。稳定组件6还包括控制装置682。这个控制装置682设计成当达到残留容积时关闭截止阀681。
图11和图12示出了具有容积元件4的油箱1的示意图。这个油箱4可不包括或包括一个或多个所描述的稳定组件6。
容积元件4可互换地位于油箱4的内部空间3中。为此，外壁2包括维修开口9，维修开口9设计用于将容积元件4从内部空间3移除以及重新插入内部空间3中。
根据图11，维修开口9由作为外壁2的部分的盖子10封闭。管线5穿过这个盖子10。容积元件4优选地仅紧固到这个盖子10，例如经由管线5。通过移除盖子10，容积元件4同时被从内部空间3中取出。可将新的容积元件4附接至盖子10，并且与盖子一起插入。
根据图12的油箱1包括位于管线5上的在内部空间3中的连接元件11，连接元件11可不用工具来进行致动。容积元件4可经由这个连接元件11附接至管线5上或从管线5上移除而无需使用工具。在根据图11的设计中，这种连接元件11还可在内部空间3中或在内部空间3外部使用。
附图标记说明
1 油箱
2 外壁
3 内部空间
4 容积元件
5 管线
6 稳定组件
9 维修开口
10盖子
11连接元件
61设计为充气气囊的内部主体
62由可弹性变形材料制成的内部主体
63设计为弹性结构的内部主体
64设计为框架的内部主体
65张力元件
66外部气囊
69稳定框架
671 刚性第一壳体
672 柔性第二壳体
673 壳体框架
681 截止阀
682 控制装置
