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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Druckregelventil zum Drosseln eines Speicherdrucks eines hochgespannten Fluids, also eines Gases, Gas-Flüssigkeit-Gemisches oder einer Flüssigkeit, in einen Systemdruck, mit einem Ventilschließkörper und einem Ventilsitz, in dem eine Ventilöffnung gebildet ist, die wahlweise mittels des mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilschließkorpers öffenbar und verschließbar ist. Ferner betrifft die Erfindung einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor mit einem Druckregelventil bzw. einer Druckregeleinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einem gasbetriebenen Verbrennungsmotor.
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Kraftfahrzeuge, die mittels eines komprimierten Erdgases als Kraftstoff betrieben werden – so genannte Erdgasfahrzeuge –, verfügen über einen Erdgasverbrennungsmotor, dem ein aufbereitetes und verdichtetes Erdgas-Luft-Gemisch über eine Einspritzvorrichtung zur Verbrennung zugeführt wird. Da Erdgas bei atmosphärischen Normaldruck im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen, wie Benzin oder Dieselkraftstoff, eine geringere Energiedichte aufweist, wird während des Betankens des Kraftfahrzeugs das Erdgas auf ca. 200 bar bis 260 bar in einem Druckgasbehälter des Kraftfahrzeugs verdichtet (CNG – Compressed Natural Gas). Hierdurch wird gewährleistet, dass eine hinreichend große Erdgasmenge im Kraftfahrzeug mitgeführt werden kann.
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Derartige Verbrennungsmotoren verfügen über Druckregelventile bzw. Druckregeleinrichtungen, die den Speicherdruck von bis zu 260 bar auf einen Systemdruck von ca. 6 bar bis 9 bar regulieren. Eine nachfolgende Filterung verhindert, dass Verunreinigungen im Gas Einspritzventile des Motors blockieren und so zu Fehlfunktionen führen.
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Aus Sicherheitsgründen müssen die Druckregelventile eine Dichtigkeit von ca. 2 × 10–4 mbarl/s gewährleisten, weshalb gewöhnlich Elastomere als Dichtelemente Einsatz finden. Diese Elastomere behalten jedoch, insbesondere unter Kälteeinfluss (Gas Expansion), nicht ihre elastischen Eigenschaften bei und werden hart und spröde. Darüber hinaus werden die elastomeren Dichtungen infolge von Verunreinigungen im Erdgas, metallischem Abrieb vom Betankungskompressor und Öl häufig beschädigt, was zu Undichtigkeiten der Druckregelventile führen kann.
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Ferner ist mittels herkömmlicher Druckregelventile eine Kleinmengenregulierung des Gases, beispielsweise bei Leerlauf des Motors, nicht hinreichend genau einstellbar. Es liegt häufig eine zu hohe Gasströmung vor, was zu einem taktenden – einem öffnenden und schließenden – Verhalten der Ventile führt (Leerlaufsägen).
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DE 10 2008 040 413 A1 offenbart ein Ventil zur Steuerung eines Durchflusses für ein gasförmiges oder flüssiges Medium mit einem Ventilsitz und einem stellkraftbetätigten Ventilschließkörper, der mit dem Ventilsitz zum Freigeben und Schließen des Durchflusses zusammenwirkt. Zur Erzielung eines zuverlässigen Dichtsitzes des Ventilkörpers ist der Ventilsitz von einem elastisch verformbaren Lagerelement aufgenommen. Aufgrund des elastisch verformbaren Lagerelements stehen dem Ventilsitz mehrere Freiheitsgrade zur Ausrichtung bezüglich des Ventilschließkörpers zur Verfügung. Beim Aufsetzen des Ventilschließkörpers auf den Ventilsitz soll stets ein fester Dichtsitz mit hoher Dichtigkeit gewährleistet sein, und zwar auch dann, wenn durch die Einwirkung der Stellkraft eine koaxiale Ausrichtung des Ventilschließkörpers mit der Achse des Ventilsitzes nicht mehr gegeben ist.
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Des Weiteren offenbart
DE 10 2005 034 601 A1 eine Kraftstoffversorgungsanlage für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine, wobei die Kraftstoffversorgungsanlage eine Vorrichtung zur Drucksteuerung und/oder – regelung aufweist, um den Druck eines gasförmigen Kraftstoffs von einem Speicherdruck auf einen niedrigeren Systemdruck zu senken. Die Vorrichtung weist zur Drucksteuerung und/oder -regelung ein elektromagnetisches Ventil auf, das vorzugsweise ein Schiebeventil ist. Mittels des elektromagnetisch betätigten Ventils soll der Systemdruck der Kraftstoffversorgungsanlage in allen Betriebszuständen genau eingestellt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist ein Druckregelventil zum Drosseln eines Speicherdrucks eines hochgespannten Fluids in einen Systemdruck, mit einem Ventilschließkörper und einem Ventilsitz, in dem eine Ventilöffnung gebildet ist, die wahlweise mittels des mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilschließkörpers öffenbar und verschließbar ist, geschaffen, wobei der Ventilschließkörper eine Oberfläche aufweist, in der mindestens eine fluidleitende Ausnehmung gebildet ist, die bei einer Relativbewegung des Ventilschließkörpers zum Ventilsitz die Ventilöffnung über einen bestimmten Abschnitt freigibt.
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Das erfindungsgemäße Druckregelventil ist zwischen einer Druckquelle, wie ein zwischengespeichertes hochgespanntes Fluid, und einem Verbraucher, wie beispielsweise ein Erdgasverbrennungsmotor, geschaltet.
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Das hochgespannte Fluid kann ein gasförmiges oder flüssiges Medium, vorzugsweise Erdgas sein, das einen hohen Druck aufweist, so genanntes CNG (Compressed Natural Gas). Das Fluid ist vorzugsweise in einem Druckbehälter, wie etwa ein Gashochdrucktank, mit einem Speicherdruck von ca. 200 bar bis 260 bar gespeichert. Um das Fluid beispielsweise einer Einspritzvorrichtung des Verbrennungsmotors zur Verfügung zu stellen, drosselt das Druckregelventil den Speicherdruck auf einen definierten Systemdruck von ca. 6 bar bis 9 bar.
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Das Druckregelventil umfasst einen Ventilschließkörper, der auf einem Ventilsitz vorzugsweise rotierbar gelagert ist. Der Ventilschließkörper öffnet und versperrt in Abhängigkeit von seiner Positionierung auf dem Ventilsitz eine in dem Ventilsitz ausgebildete Ventilöffnung.
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Hierzu weist die Oberfläche des Ventilschließkörpers erfindungsgemäß mindestens eine fluidleitende Ausnehmung auf, die eine fluidleitende Verbindung zwischen der Druckquelle und dem Verbraucher bereitstellt. Bei einer Relativbewegung des Ventilschließkörpers zum Ventilsitz, insbesondere einer Drehung, wird die fluidleitende Ausnehmung in eine Position gebracht, in der eine fluidleitende Verbindung zwischen Druckquelle und Verbraucher hergestellt ist. In diesem Fall ist die Ventilöffnung über einen bestimmten Abschnitt freigegeben und ein Druckausgleich zwischen dem Speicher- und Systemdruck wird herbeigeführt.
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Um die fluidleitende Verbindung zwischen Druckspeicher und Verbraucher über die Ventilöffnung herzustellen, muss der Ventilschließkörper vorteilhafterweise nicht, wie im Stand der Technik, vom Ventilsitz abgehoben werden. Der Ventilschließkörper ist vielmehr in einer komplementären Matrize des Ventilsitzes eingebettet und dort insbesondere rotierend gelagert. Vorteilhafterweise kann vorliegend auf das Vorsehen einer Elastomerdichtung mit den oben genannten Nachteilen verzichtet und gleichzeitig eine hinreichend gute Dichtigkeit des Druckregelventils mittels einer entsprechenden Passung zur Verfügung gestellt werden.
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Ferner besteht der Vorteil der Erfindung darin, dass die erfindungsgemäße fluidleitende Verbindung in der Oberfläche des Ventilschließkörpers eine Proportionalität in der Regelcharakteristik der Fluidströmung gewährleistet. Wenn beispielsweise bei einem Leerlauf des Motors lediglich eine geringe Menge an Erdgas der Einspritzvorrichtung zuzuführen ist, so wird über eine Rotationsbewegung des Ventilschließkörpers die Ventilöffnung über die fluidleitende Ausnehmung nur über einen bestimmten geringen Abschnitt freigegeben. Auf diese Weise ist eine hinreichend genaue Kleinmengenregulierung des Fluids einstellbar. Wenn hingegen eine große Fluidströmung bereit zu stellen ist, so wird die Ventilöffnung über einen größeren Abschnitt freigegeben, nämlich indem der Ventilschließkörper derart auf dem Ventilsitz positioniert wird, dass die fluidleitende Ausnehmung die Ventilöffnung (und evtl. weitere Ventilöffnungen) über einen größeren Abschnitt öffnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckregelventils ist der Ventilschließkörper kugel- oder walzenförmig ausgebildet.
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Bei einer derartigen Weiterbildung ist der Ventilschließkörper rotierbar auf dem Ventilsitz gelagert und liegt fluiddichtend an diesem an. Der Ventilschließkörper ist vorzugsweise aus einem Sintermaterial, wie beispielsweise Stahl, Keramik oder Kunststoff, hergestellt. Der Ventilschließkörper kann auch aus einer Kombination dieser Materialien gebildet sein oder einen Teileinsatz aus einem der genannten Materialien umfassen. Sintermaterialien zeichnen sich durch eine gute Verschließfestigkeit, Härte, Druckfestigkeit und Temperaturbeständigkeit aus.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckregelventils ist die fluidleitende Ausnehmung als ein sich verjüngender Kanal gebildet.
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Ein derartiger Kanal kann eine frei wählbare, bedarfsgerechte Geometrie aufweisen. Der Kanal ist vorzugsweise eine längliche Einkerbung, deren Längserstreckung insbesondere gemäß der Längsachse des Druckregelventils verläuft. An einem der beiden Enden weist der Kanal eine größere und an dem anderen Ende eine geringere Querschnittsfläche, insbesondere Breite und/oder Tiefe, auf – er verjüngt sich. Ist der Ventilschließkörper derart auf dem Ventilsitz infolge einer Relativbewegung gelagert, dass der Kanal die Ventilöffnung an einer Stelle mit einer größeren Breite freigibt, so strömt eine größere Fluidströmung von der Druckquelle zum Verbraucher. Ist hingegen die Ventilöffnung an einer Stelle mit einer geringeren Breite freigegeben, so ist ein geringer Fluidstrom, beispielsweise bei einem Leerlauf des Motors, eingestellt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckregelventils ist eine definierte Fluidströmung mittels einer bestimmten Anzahl, Tiefe und/oder Breite der fluidleitenden Ausnehmung eingestellt.
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Gemäß dieser Weiterbildung wird eine größere Fluidströmung, das heißt ein schnellerer Druckausgleich zwischen Speicher- und Systemdruck hergestellt, wenn der Ventilschließkörper mehrere fluidleitende Ausnehmungen aufweist. Ferner ist diese Effekt über eine größere Tiefe und/oder Breite der Ausnehmung einstellbar. Eine geringere Fluidströmung ist hingegen gewährleistet, wenn lediglich eine oder wenige Ausnehmungen in der Oberfläche des Ventilschließkörpers ausgebildet sind, oder diese eine geringe Tiefe und/oder Breite aufweisen. Es ist somit eine sehr feine Kleinmengenregulierung an Fluid bewerkstelligbar; es können insbesondere motorspezifische Volumenströme appliziert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckregelventils ist zwischen dem Ventilschließkörper und dem Ventilsitz eine Dichtung angeordnet.
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Diese Dichtung besteht vorzugsweise aus einem Elastomer, wie Kunststoff oder auch Kautschuk. Die Dichtung ist insbesondere zwischen einer im Ventilsitz ausgebildeten Fluidzuführleitung und dem dort anliegenden Ventilschließkörper angeordnet und dichtet die Fluidzuführleitung gegenüber dem Ventilschließkörpers in axialer und radialer Richtung fluiddicht ab. Durch die Verwendung einer Dichtung wird die Dichtwirkung des Druckregelventils weiter erhöht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckregelventils ist der Ventilschließkörper mittels einer Einrastvorrichtung am Ventilsitz rotierbar gehaltert.
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Mittels des Einsatzes einer Einrastvorrichtung ist eine Montage des Druckregelventils besonders einfach und sicher durchzuführen. Die Einrastvorrichtung umgreift und den Ventilschließkörper (insbesondere über die Kugelmitte hinweg) auf dem Ventilsitz formschlüssig. Gegebenenfalls ist der Ventilschließkörper dabei auch von der Einrastvorrichtung (leicht) kraftschlüssig gefasst, wodurch eine erhöhte Abdichtung zwischen diesen beiden Bauteilen erreicht werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckregelventils ist die Einrastvorrichtung ein elastisch ausgebildeter Einsatz.
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Dieser elastisch ausgebildete Einsatz ist vorzugsweise aus einem gummielastischen Material, wie Kautschuk oder Polyethylen gebildet. Über eine elastische Deformation der Einrastvorrichtung rastet der Ventilschließkörper ein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckregelventils ist die Einrastvorrichtung ein Blechformteil.
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Alternativ kann die Einrastvorrichtung auch als ein Blechformteil aus Federstahl gefertigt sein. Das Blechformteil ist der Geometrie des Ventilschließkörpers angepasst und fixiert ihn.
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Ferner ist ein gasbetriebener Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Druckregelventil geschaffen.
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Der erfindungsgemäße gasbetriebene Verbrennungsmotor ist in vorteilhafter Weise mit einem Druckregelventil gemäß den oben genannten Merkmalen ausgestattet. Ein solches Druckregelventil gewährleistet, dass zum einen eine hinreichend gute Dichtigkeit ohne die Notwendigkeit des Einsatzes einer elastischen Dichtung bewerkstelligt ist. Zum anderen ist eine Proportionalität in der Zuführung von Erdgas in der Regelcharakteristik gewährleistet. Es ist insbesondere eine Zuführung von geringen Mengen an Erdgas möglich, ohne dass das Druckregelventil ein taktendes Verhalten aufweist.
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Des Weiteren ist die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen gasbetriebenen Verbrennungsmotor gelöst.
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Das erfindungsgemäße Gaskraftfahrzeug umfasst einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Druckregelventil gemäß den oben erläuterten Merkmalen und Vorteilen. Das Kraftfahrzeug weist insbesondere einen geringen Verbrauch an Erdgas auf, da das Druckregelventil derart eingestellt ist, dass eine optimale Gaszufuhr an die Einspritzvorrichtung des Motors erfolgt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert: Es zeigen:
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1 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Druckregelventils, und
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2 eine Draufsicht II auf das Druckregelventils gemäß 1.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 und 2 zeigen einen Ausschnitt eines Druckregelventils 10, mit einem kugelförmigen Ventilschließkörper 12, der auf einem Ventilsitz 14 rotierbar gehaltert ist. 1 zeigt das Druckregelventil 10 im Querschnitt und 2 in einer Draufsicht.
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Das Druckregelventil 10 ist vorliegend in einer Kraftstoffversorgungsanlage eines Erdgasverbrennungsmotors integriert und zwischen einem Erdgasdrucktank und einer Einspritzvorrichtung des Motors geschaltet.
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Das Druckregelventil 10 ist dafür vorgesehen, in dem Drucktank mit einem Speicherdruck von ca. 200 bar bis 260 bar gespeichertes Erdgas auf einen Systemdruck von ca. 6 bar bis 9 bar zu regulieren bzw. zu entspannen. Während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs nimmt der Speicherdruck entsprechend des verbrauchten Erdgases ab. Das Druckregelventil 10 drosselt unabhängig von dem im Tank vorliegenden Druck eine Erdgasströmung auf den definiert einzustellenden Systemdruck. Ferner ist das Druckregelventil 10 auch ausgebildet, die Erdgasströmung vom Tank zum Motor zu unterbrechen und eine im Wesentlichen fluiddichte Absperrung zu gewährleisten, wenn beispielsweise der Verbrennungsmotor nicht in Betrieb ist.
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In dem Ventilsitz 14 ist eine Ventilöffnung 16 ausgebildet, die im geöffneten Zustand eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Drucktank und dem Motor als Verbraucher zur Verfügung stellt. Das Erdgas wird dem Druckregelventil 10 mittels einer in der Ventilöffnung 16 mündet Zuführleitung 18 zugeführt.
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Die Ventilöffnung 16 wird mittels des auf dem Ventilsitz 14 rotierend gelagerten kugelförmigen Ventilschließkörpers 12 wahlweise geöffnet und im Wesentlichen fluiddicht verschlossen. Der Ventilschließkörper 12 ist dabei auf dem Ventilsitz 14 mit einem als Einrastvorrichtung wirkenden Blechformteil 19 aus Federstahl, z. B. in Form einer Federspange, rotierbar gehaltert.
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Zum Herstellen einer fluidleitenden Verbindung zwischen dem Gasdrucktank und der Einspritzvorrichtung des Motors weist der Ventilschließkörper 12 auf seiner Oberfläche 20 eine länglich ausgebildete kanalförmige fluidleitende Ausnehmung 22 auf. Diese Ausnehmung 22 ist mit einer in der Draufsicht betrachteten keilförmigen bzw. verjüngenden Geometrie gestaltet, das heißt, die Ausnehmung 22 weist an einem Ende 24 eine größere Breite 26 und an dem anderen Ende 28 eine geringere Breite 30 auf.
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In Abhängigkeit von der Positionierung des Ventilschließkörpers 12 auf dem Ventilsitz 14 wird die Ventilöffnung 16 gemäß des veränderlichen Öffnungsquerschnitts über einen bestimmten Abschnitt freigegeben und ein definierter Druckausgleich bzw. Fluidströmung ist zwischen dem Drucktank und dem Motor eingestellt. Hierzu wird der Ventilschließkörper 12 vorliegend über eine Steuereinheit elektromagnetisch angesteuert und über eine rotierende Bewegung 32 in die gewünschte Position gestellt.
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Eine Bestromung des Elektromagneten erfolgt mit Hilfe einer Steuereinheit, die jeweils an einen dem Druckregelventil 10 vor- und nachgeschalteten Drucksensor gekoppelt ist. Mittels der Drucksensoren werden die zu einem bestimmten Zeitpunkt vorliegenden Speicher- und Systemdruckwerte ermittelt. Die Steuereinheit errechnet anhand der ermittelten Druckwerte eine geeignete Bestromung des Elektromagneten und bewegt auf diese Weise den Ventilschließkörper 12 in eine bestimmte Stellung, die eine definierte Gasströmung gewährleistet. Ist eine geringe Gasströmung einzustellen, da sich der Motor beispielsweise im Leerlauf befindet, so nimmt der Ventilschließkörper 12 eine Stellung ein, in der ein Druckausgleich lediglich über eine geringe Breite 30 der Ausnehmung 22 erfolgt. Soll hingegen die Gasströmung erhöht werden, so wird der Ventilschließkörper 12 in eine Position rotiert, in der der Druckausgleich über eine größere Breite 26 der Ausnehmung 22 erfolgt.
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Um die Dichtigkeit des Druckregelventils 10 zu erhöhen, ist zwischen dem Ventilschließkörper 12 und dem Ventilsitz 14 eine Dichtung 34 in Form eines Dichtstreifens oder eines Dichtrings aus einem elastomeren oder sonstigem abdichtend wirkenden Material angeordnet, und zwar in dem Bereich, in dem die Zuführleitung 18 in dem Ventilsitz 14 mündet.
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Das durch das Druckregelventil 10 zu leitende Erdgas wird mittels einer Lavaldüse 36 in die Zuführleitung 18 eingespritzt. Der Querschnitt der Lavaldüse 36 ist an einem Teilabschnitt verengt und weitet sich in Richtung des Gasaustrittbereichs. Das durch die Düse 36 strömende Gas wird aufgrund der Strömungsgeometrie auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, wodurch Verdichtungsstöße im Wesentlich vermieden werden. Hierdurch wird eine relativ geräuscharme Zuführung des Gases zur Verfügung gestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008040413 A1 [0006]
- DE 102005034601 A1 [0007]
