DE102007022214A1

DE102007022214A1 - Druckregelsystem für gasbetriebene Brennkraftmaschinen und Verfahren zur Druckregelung

Info

Publication number: DE102007022214A1
Application number: DE102007022214A
Authority: DE
Inventors: Winfried Langer; Thorsten Allgeier; Juergen Foerster; Christian Mengler; Alexander Gluschke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2008-11-13
Also published as: WO2008138686A1

Abstract

Es sind schon Druckregelsysteme für gasbetriebene Brennkraftmaschinen bekannt, mit einem Druckregelventil, das einen Ventilkörper, einen mit dem Ventilkörper zusammenwirkenden Ventilsitz und stromab des Ventilsitzes ein Kolbenelement aufweist, das mit dem Ventilkörper mechanisch gekoppelt ist und einen das Kolbenelement enthaltenden Ventilraum in eine Niederdruckkammer und eine Referenzdruckkammer trennt. In der Referenzdruckkammer herrscht Atmosphärendruck. Der vom Druckregelventil stromab des Ventilsitzes eingestellte Ausgangsdruck wird von der Federkraft einer in der Referenzdruckkammer angeordneten Druckfeder bestimmt. Nachteilig ist, dass der Ausgangsdruck des Druckregelventils von einem über das Druckregelventil fließenden Massenstrom und einem am Eingang des Druckregelventils anstehenden Eingangsdruck abhängig ist. Der Ausgangsdruck des Druckregelventils sinkt dadurch bei steigendem Massenstrom und bei sinkendem Eingangsdruck, so dass sich Schwankungen des Ausgangsdrucks um bis zu 150 kPa ergeben können. Bei dem erfindungsgemäßen Druckregelsystem ist der vom Druckregelventil eingestellte Ausgangsdruck im Betrieb nachstellbar, indem der Druck in der Referenzdruckkammer veränderbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Druckregelsystem ein erstes Steuerventil (26) und ein zweites Steuerventil (27) aufweist, wobei die Referenzdruckkammer (8.2) über das erste Steuerventil (26) mit der Niederdruckkammer (8.1) und über das zweite Steuerventil (27) mit einer ...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Druckregelsystem für gasbetriebene Brennkraftmaschinen nach Anspruch 1 und einem Verfahren zur Druckregelung nach Anspruch 10.
Es ist schon ein Druckregelsystem für gasbetriebene Brennkraftmaschinen aus der JP-11304029 A bekannt, mit einem Druckregelventil, das einen Ventilkörper, einen mit dem Ventilkörper zusammenwirkenden Ventilsitz und stromab des Ventilsitzes ein Kolbenelement aufweist, das mit dem Ventilkörper mechanisch gekoppelt ist und einen das Kolbenelement enthaltenden Ventilraum in eine Niederdruckkammer und eine Referenzdruckkammer trennt. In der Referenzdruckkammer herrscht Atmosphärendruck. Der vom Druckregelventil stromab des Ventilsitzes eingestellte Ausgangsdruck wird von der Federkraft einer in der Referenzdruckkammer angeordneten Druckfeder bestimmt. Nachteilig ist, dass der Ausgangsdruck des Druckregelventils von einem über das Druckregelventil fließenden Massenstrom und einem am Eingang des Druckregelventils anstehenden Eingangsdruck abhängig ist. Der Ausgangsdruck des Druckregelventils sinkt dadurch bei steigendem Massenstrom und bei sinkendem Eingangsdruck, so dass sich Schwankungen des Ausgangsdrucks um bis zu 150 kPa ergeben können.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Druckregelsystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der vom Druckregelventil stromab des Ventilsitzes eingestellte Ausgangsdruck im Betrieb nachstellbar ist, indem der Druck in der Referenzdruckkammer verändert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Druckregelsystem ein erstes Steuerventil und ein zweites Steuerventil aufweist, wobei die Referenzdruckkammer über das erste Steuerventil mit der Niederdruckkammer und über das zweite Steuerventil mit einer Druckquelle strömungsverbindbar ist. Auf diese Weise kann ein vorbestimmter Druck in der Referenzdruckkammer eingestellt werden, der entweder den Ventilkörper weiter öffnet und dadurch den Ausgangsdruck erhöht oder weiter schließt und damit den Ausgangsdruck verringert. Dadurch kann der Ausgangsdruck auch bei schwankendem Massenstrom und/oder schwankendem Eingangsdruck konstanter gehalten werden als im Stand der Technik. Darüber hinaus kann ein definierter Sollarbeitsdruck, z. B. durch das Motorsteuergerät, vorgegeben werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Druckregelsystems möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sind das erste Steuerventil und das zweite Steuerventil elektrisch betätigbar.
Besonders vorteilhaft ist, wenn in der Referenzdruckkammer eine auf das Kolbenelement wirkende Ventilfeder angeordnet ist Weiterhin vorteilhaft ist, wenn das Kolbenelement als Membrankörper oder Kolben ausgeführt ist. Der Membrankörper dichtet den Niederdruckraum besonders gut gegenüber dem Referenzdruckraum ab.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn die Niederdruckkammer des Druckregelventils einen Ausgang aufweist, der über eine Verbindungsleitung und das darin vorgesehene erste Steuerventil mit der Referenzdruckkammer strömungsverbindbar ist, wobei von der Verbindungsleitung stromab des ersten Steuerventils eine das zweite Steuerventil aufweisende Zweigleitung zur Verbindung mit der einen vorbestimmten Druck aufweisenden Druckquelle abzweigt. Die beiden Steuerventile können im Druckregelventil konstruktiv integriert oder extern vorgesehen sein.
Auch vorteilhaft ist, wenn ein elektronisches Steuergerät vorgesehen ist, das die Steuerventile abhängig von einem stromab des Ventilsitzes vorliegenden Ausgangsdruck ansteuert, da auf diese Weise erreicht wird, dass der Ausgangsdruck bei steigenden Massenströmen konstant bleibt oder zunimmt. Ein Absinken des Ausgangsdrucks bei steigenden Massenströmen wird verhindert.
Desweiteren vorteilhaft ist, dass zur Messung des Ausgangsdrucks ein erster Drucksensor vorgesehen ist, der über eine Steuerleitung mit dem elektronischen Steuergerät verbunden ist. Auf diese Weise ist eine Regelung des Ausgangsdrucks möglich.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn ein zweiter Drucksensor vorgesehen ist, der den Druck in der Referenzdruckkammer erfasst, wobei das elektronische Steuergerät die Steuerventile derart ansteuert, dass ein vorbestimmter Druck in der Referenzdruckkammer eingestellt ist, da auf diese Weise eine Vorsteuerung auf Basis des Sollausgangsdrucks, des Gasmassenstroms und dem Tankdruck möglich ist.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Zeichnung zeigt ein vereinfacht dargestelltes, erfindungsgemäßes Druckregelsystem.
Das Druckregelsystem dient dazu, den Hochdruck eines Hochdruckgasspeichers auf einen vorbestimmten Niederdruck zu mindern, um das auf den Niederdruck entspannte Gas aus dem Hochdruckgasspeicher der Brennkraftmaschine zur Verbrennung zuzuführen.
Das Druckregelsystem weist ein Druckregelventil 1 auf, das einen Ventilkörper 2, einen mit dem Ventilkörper 2 zusammenwirkenden Ventilsitz 3 und ein stromab des Ventilsitzes 3 angeordnetes Kolbenelement 4 hat, das mit dem Ventilkörper 2 über ein Verbindungsmittel 5 mechanisch gekoppelt ist. Das Kolbenelement 4 ist in einem Niederdruckraum 8 vorgesehen und trennt diesen in eine dem Ventilsitz 3 zugewandte Niederdruckkammer 8.1 und eine dem Ventilsitz 3 abgewandte Referenzdruckkammer 8.2. Das Verbindungsmittel 5 ist beispielsweise stangenförmig ausgebildet. Auf das Kolbenelement 4 wirkt eine Ventilfeder 9 in Richtung des Ventilkörpers 2. Die Ventilfeder 9 ist beispielsweise in der Referenzdruckkammer 8.2 angeordnet und als Druckfeder ausgebildet. Das Kolbenelement 4 ist axial bezüglich einer Ventilachse 12 beweglich und gemäß dem Ausführungsbeispiel als Membrankörper ausgebildet, der über eine flexible Membran 13 mit einem Ventilgehäuse 14 fest verbunden ist. Das Kolbenelement 4 kann aber selbstverständlich auch als axial beweglicher Kolben ausgeführt sein.
Der Ventilkörper 2 ist in einem Hochdruckraum 10 des Druckregelventils 1 angeordnet. Der Hockdruckraum 10 ist über eine Ventilsitzöffnung 11 mit der Niederdruckkammer 8.1 des Niederdruckraums 8 verbunden, wobei an der Ventilsitzöffnung 11 der Ventilsitz 3 ausgebildet ist. Der Ventilkörper 2 ist in dem Hochdruckraum 10 axial bezüglich der Ventilachse 12 beweglich gelagert.
Das Druckregelventil 1 weist einen Eingang 15 und einen Ausgang 16 auf, wobei der Eingang 15 in den Hochdruckraum 10 und der Ausgang 16 in die Niederdruckkammer 8.1 mündet. Der Eingang 15 des Druckregelventils 1 ist über eine Hochdruckleitung 19 mit einem Hochdruckgasspeicher 20 strömungsverbunden, in dem ein komprimiertes brennbares Gas gespeichert ist. Der Ausgang 16 des Druckregelventils 1 ist über eine Niederdruckleitung 21 zumindest mittelbar mit einem Einspritzventil 22 einer Brennkraftmaschine 23 strömungsverbunden.
Der Hochdruck des Hochdruckgasspeichers 20 wirkt über den Eingang 15 stirnseitig auf den Ventilkörper 2 und drückt diesen in Richtung des Ventilsitzes 3. Bei geöffnetem Ventil entsteht in einem Ventilspalt zwischen dem Ventilkörper 2 und dem Ventilsitz 3 ein Druckverlust, der den stromauf des Ventilsitzes 3 bestehenden Hochdruck auf einen stromab des Ventilsitzes 3 vorliegenden Niederdruck mindert. Dieser Niederdruck wirkt in dem Niederdruckraum 8.1 auf das Kolbenelement 4, das den Ventilkörper 2 über das Verbindungsmittel 5 ebenfalls in Richtung des Ventilsitzes 3 drückt. Die Stirnfläche bzw. der Durchmesser des Kolbenelementes 4 ist beispielsweise größer ausgebildet als die Stirnfläche bzw. der Durchmesser des Ventilkörpers 2. Die Ventilfeder 9 und der Druck der Referenzdruckkammer 8.2 wirken dagegen über das Kolbenelement 4 und das Verbindungsmittel 5 in vom Ventilsitz 3 abgewandter Richtung auf den Ventilkörper 2. Das sich jeweils am Ventilkörper 2 einstellende Kräftegleichgewicht bestimmt die axiale Position des Ventilkörpers 2. Abhängig von der axialen Position des Ventilkörpers 2 stellt sich ein vorbestimmter Ausgangsdruck stromab des Ventilsitzes 3 ein. Je größer der Ventilspalt ist, desto größer ist der Massenstrom und damit der Ausgangsdruck.
Der vom Druckregelventil 1 stromab des Ventilsitzes 3 eingestellte Ausgangsdruck kann erfindungsgemäß im Betrieb nachgestellt werden, indem der Druck in der Referenzdruckkammer 8.2 durch Mittel 26, 27 aktiv veränderbar ist. Auf diese Weise werden zu geringe oder zu hohe Ausgangsdrücke vermieden. Beispielsweise kann im Leerlauf der Ausgangsdurck niedriger eingestellt werden, um eine genauere Gasdosierung durch eine längere Einspritzzeit der Einblasventile zu erreichen, oder bei Vollast der Ausgangsdruck höher eingestellt werden, um die erforderliche Kraftstoffmasse in der drehzahlabhängig begrenzten Zeit durch eine kürze Einspritzzeit in den Brennraum einzublasen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Druckregelsystem ein erstes Steuerventil 26 und ein zweites Steuerventil 27 aufweist, wobei die Referenzdruckkammer 8.2 über das erste Steuerventil 26 mit der Niederdruckkammer 8.1 und über das zweite Steuerventil 27 mit einer Druckquelle 28, beispielsweise einer Unterdruckquelle, strömungsverbindbar ist. Das erste Steuerventil 26 und das zweite Steuerventil 27 sind elektrisch betätigbar. Sie können als Schieberventil mit den zwei Ventilstellungen „Offen" und „Geschlossen" oder als Proportionalventil ausgebildet sein. Als Unterdruckquelle steht im Fahrzeug das sogenannte Saugrohr zur Verfügung, das gemäß dem Ausführungsbeispiel als Druckquelle 28 eingesetzt wird. Es kann auch vorgesehen sein, die Referenzdruckkammer 8.2 über das erste Steuerventil 26 anstatt mit der Niederdruckkammer 8.1 mit einer nicht dargestellten anderen Druckkammer zu verbinden, die beispielsweise ein mit Druckluft gefülltes Volumen ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung kann der Druck in der Referenzdruckkammer 8.2 entweder gegenüber dem Atmosphärendruck erhöht oder verringert werden.
Das erste Steuerventil 26 ist in einer Verbindungsleitung 31 vorgesehen, die den Ausgang 16 der Niederdruckkammer 8.1 mit der Referenzdruckkammer 8.2 strömungsverbindet. Stromab des ersten Steuerventils 26 zweigt eine Zweigleitung 32 von der Verbindungsleitung 31 ab. Die Zweigleitung 32 ist mit der Druckquelle 28 strömungsverbunden und weist das zweite Steuerventil 27 auf.
Zur Druckerhöhung in der Referenzdruckkammer 8.2 wird das erste Steuerventil 26 geöffnet, das zweite Steuerventil 27 ist bzw. wird geschlossen. Dadurch strömt Gas aus der Niederdruckkammer 8.1 zum Druckausgleich in die Referenzdruckkammer 8.2. Durch den erhöhten Druck in der Referenzdruckkammer 8.2 werden das Kolbenelement 4 und der Ventilkörper 2 derart verschoben, dass das Druckregelventil 1 weiter geöffnet und dessen Ausgangsdruck weiter erhöht wird. Es kann vorgesehen sein, dass das Steuerventil 26 zur Druckerhöhung nur kurzzeitig wie zuvor beschrieben geschaltet und anschließend wieder geschlossen wird.
Zur Druckverringerung in der Referenzdruckkammer 8.2 wird das zweite Steuerventil 27 geöffnet, das erste Steuerventil 26 ist bzw. wird geschlossen. Dadurch strömt Gas aus der Referenzdruckkammer 8.2 in das Saugrohr 28. Durch den verringerten Druck in der Referenzdruckkammer 8.2 werden das Kolbenelement 4 und der Ventilkörper 2 derart verschoben, dass das Druckregelventil 1 weiter geschlossen und dessen Ausgangsdruck weiter verringert wird. Es kann vorgesehen sein, dass das Steuerventil 27 zur Druckverringerung nur kurzzeitig wie zuvor beschrieben geschaltet und anschließend wieder geschlossen wird.
Das Druckregelsystem weist ein elektronisches Steuergerät 33 auf, das die Steuerventile 26, 27 bei Über- oder Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellenwertes entsprechend ansteuert. Die Zeitdauer der Ansteuerung kann abhängig von der Höhe der gewünschten Druckänderung erfolgen. Der jeweilige Ausgangsdruck wird mittels eines ersten Drucksensors 34 erfasst, der beispielsweise in der Niederdruckleitung 21 vorgesehen ist und über eine Steuerleitung 36 mit dem elektronischen Steuergerät 33 verbunden ist.
Es kann ein zweiter Drucksensor 35 vorgesehen sein, der zusätzlich den Druck in der Referenzdruckkammer 8.2 erfasst. Bei dieser Ausführung kann das elektronische Steuergerät 33 die Steuerventile 26, 27 derart ansteuern, dass ein vorbestimmter Druck in der Referenzdruckkammer 8.2 eingestellt wird. Auf diese Weise kann der Ausgangsdruck genauer eingestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 11304029 A [0002]

Claims

Druckregelsystem für gasbetriebene Brennkraftmaschinen mit einem Druckregelventil, das einen Ventilkörper, einen mit dem Ventilkörper zusammenwirkenden Ventilsitz und stromab des Ventilsitzes ein Kolbenelement aufweist, das mit dem Ventilkörper mechanisch gekoppelt ist und einen das Kolbenelement enthaltenden Ventilraum in eine Niederdruckkammer und eine Referenzdruckkammer trennt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (26, 27) vorgesehen sind, mit denen der Druck in der Referenzdruckkammer (8.2) verstellbar ist.
Druckregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (26, 27) Steuerventile sind und die Referenzdruckkammer (8.2) über ein erstes Steuerventil (26) mit der Niederdruckkammer (8.1) und über ein zweites Steuerventil (27) mit einer anderen Druckquelle (28) strömungsverbindbar ist.
Druckregelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuerventil (26) und das zweite Steuerventil (27) elektrisch betätigbar sind.
Druckregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Referenzdruckkammer (8.2) eine auf das Kolbenelement (4) wirkende Ventilfeder (9) angeordnet ist.
Druckregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (4) als Membrankörper oder Kolben ausgeführt ist.
Druckregelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckkammer (8.1) des Druckregelventils (1) einen Ausgang (16) aufweist, der über eine Verbindungsleitung (31) und das darin vorgesehene erste Steuerventil (26) mit der Referenzdruckkammer (8.2) strömungsverbindbar ist, wobei von der Verbindungsleitung (31) stromab des ersten Steuerventils (26) eine das zweite Steuerventil (27) aufweisende Zweigleitung (32) zur Verbindung mit der Druckquelle (28) abzweigt.
Druckregelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektronisches Steuergerät (33) vorgesehen ist, das die Steuerventile (26, 27) abhängig von einem stromab des Ventilsitzes (3) vorliegenden Ausgangsdruck ansteuert.
Druckregelsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des Ausgangsdrucks ein erster Drucksensor (34) vorgesehen ist, der über eine Steuerleitung (36) mit dem elektronischen Steuergerät (33) verbunden ist.
Druckregelsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Drucksensor (35) vorgesehen ist, der den Druck in der Referenzdruckkammer (8.2) erfasst, wobei das elektronische Steuergerät (33) die Steuerventile (26, 27) derart ansteuert, dass ein vorbestimmter Druck in der Referenzdruckkammer (8.2) eingestellt ist.
Verfahren zur Druckregelung mit einem Druckregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des durch das Druckregelventil (1) eingestellten Drucks das erste Steuerventil (26) geöffnet wird, wobei das zweite Steuerventil (27) geschlossen ist oder geschlossen wird, und dass zur Verringerung des durch das Druckregelventil eingestellten Drucks das zweite Steuerventil (27) geöffnet wird, wobei das erste Steuerventil (26) geschlossen ist oder geschlossen wird.