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Die Erfindung betrifft einen Gasdruckregler zur Regelung des Drucks eines gasförmigen Kraftstoffs, wie er Verwendung findet, um gasförmigen Kraftstoff unter einem vorgegebenen Druck einer Brennkraftmaschine zuzuführen. Darüber hinaus betrifft die Vorrichtung ein System zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Kraftstoff unter Verwendung eines solchen Gasdruckreglers und ein Verfahren zum Betreiben dieses Systems.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist ein Gasdruckregler zur Zuführung von gasförmigem Kraftstoff unter einem gewissen Druck zu einer Brennkraftmaschine beispielsweise aus der
DE 10 2016 207 743 A1 bekannt. Ein solches System weist einen Gastank auf, dem mittels einer Gaspumpe gasförmiger Kraftstoff entnommen wird. Die Gaspumpe verdichtet das Gas und führt es einem Zwischentank zu. Aus dem Zwischentank wird ein weiterer Gasspeicher, ein sogenanntes Gasrail, gespeist, in dem der gasförmige Kraftstoff unter einem vorgegebenen Druck vorgehalten wird, um schließlich über einen oder mehrere Injektoren in eine Brennkraftmaschine eingebracht zu werden. Zwischen dem Zwischentank und dem Gasrail ist ein Gasdruckregler zwischengeschaltet, der so ausgelegt ist, dass stets ein vorgegebener Gasdruck im Gasrail aufrecht erhalten wird. Dazu weist die Gasdruckregler miteinander verschaltete Regelventile auf, die dafür sorgen, dass bei zu hohem Druck Gas aus dem Gasrail in den Gastank zurückgeführt wird und bei zu niedrigem Druck Gas aus dem Zwischentank in das Gasrail nachgefüllt wird.
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Zur Realisierung dieser Schaltung ist innerhalb des Gasdruckreglers ein Ventil vorgesehen, das mehrere Funktionen erfüllt. Das Ventil weist einen beweglichen Kolben auf, der längsbewegbar innerhalb des Gehäuses des Gasdruckreglers angeordnet ist und das mit einer Stirnseite einen mit wechselndem Druck befüllbaren Druckraum begrenzt. In den Druckraum kann ein flüssiges Arbeitsmedium eingeleitet werden, so dass durch das flüssige Arbeitsmedium, beispielsweise einen flüssigen Kraftstoff, eine Kraft in Längsrichtung auf den Ventilkolben ausgeübt werden kann. Als Gegenkraft zu dem hydraulischen Druck des flüssigen Arbeitsmediums im Druckraum wirkt auf den Ventilkolben der Druck in einem Gasraum, den der Ventilkolben mit seiner gegenüberliegenden Stirnseite begrenzt. Darüber hinaus wirkt auf den Ventilkolben die Kraft einer Schließfeder, die gleichgerichtet zur pneumatische Kraft ist.
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Ist der hydraulische Druck im Druckraum höher als die pneumatische Kraft durch den Gasdruck und die Kraft der Schließfeder, so bewegt sich der Kolben vom Druckraum weg und öffnet dabei ein Einlassventil, durch das gasförmiger Kraftstoff aus dem Zwischentank in das Gasrail strömt und den Gasdruck dort erhöht, ebenso wie im gasgefüllten Raum innerhalb des Gasdruckreglers. Ist hingegen die durch den pneumatischen Druck auf den Ventilkolben wirkende Kraft zusammen mit der Kraft der Schließfeder größer als der hydraulische Druck im Druckraum, so bewegt sich der Ventilkolben in entgegengesetzter Richtung und verschließt das Einlassventil erneut. Bewegt sich der Ventilkolben weiter, so wird zusätzlich eine Öffnung aufgesteuert, durch die gasförmiger Kraftstoff aus dem mit Gas gefüllten Gasraum innerhalb des Gasdruckreglers in den Tank abgesteuert wird, so dass der Druck im Gasraum und damit im Gasrail sinkt. Auf diese Weise kann eine rein mechanische Druckeinstellung innerhalb des Gasraums erreicht werden, wobei der Referenzdruck der Druck des Arbeitsmediums ist. Über die Größe der Stirnflächen des Ventilkolbens und über die Stärke der Feder kann die Druckdifferenz eingestellt werden, die zwischen dem pneumatischen und dem hydraulischen Druck herrschen soll. Insbesondere ist dadurch ein Betrieb des Systems möglich, bei dem der Gasdruck stets etwas niedriger als der hydraulische Druck ist, um unerwünschte Leckagen innerhalb des Gasdruckreglers und auch in anderen Teilen des Gasversorgungssystems zu vermeiden.
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Der gasförmige Kraftstoff wird im Gastank mit einem niedrigen Druck zur Verfügung gestellt und muss durch die Gaspumpe auf den notwenigen Druck verdichtet werden, der oberhalb des Drucks liegt, der im Gasrail benötigt wird. Je nach System beträgt dieser Gasdruck einige 100 bar (10 MPa), so dass eine nicht unerhebliche Energie zur Verdichtung aufgewandt wird. Muss der Druck im Gasrail abgesenkt werden, so wird Gas unverbraucht zurück in den Gastank geleitet und wird dabei entspannt, so dass die für die Verdichtung aufgewandte Energie verloren ist. Darüber hinaus bedeutet das zurückgeleitete Gas einen Energieeintrag in den Gastank. Insbesondere, wenn im Gastank gasförmiger Kraftstoff kryogen gespeichert ist, ist ein zusätzlicher Wärmeeintrag in den Gastank stets unerwünscht, da er zum Druckanstieg im Gastank führt, der durch anderweitige Vorrichtungen begrenzt werden muss. Dies macht das System ineffizient und bedingt einen zusätzlichen Kraftstoffverbrauch.
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Da die Absteuerung des überschüssigen gasförmigen Kraftstoffs in den Gastank des Systems erfolgt, herrscht im Rücklauf für den gasförmigen Kraftstoff nur sehr niedriger Druck, der meist nur einige bar beträgt und auch in Teilbereichen des Gasdruckreglers anliegt. Demgegenüber beträgt der Druck des hydraulischen Arbeitsmediums, beispielsweise eines flüssigen Kraftstoffs, einige 100 bar und liegt in der gleichen Größenordnung wie der Druck des gasförmigen Kraftstoffs, wie er im Gasrail zur Verfügung gestellt wird. Innerhalb des Gasdruckreglers sind deshalb Medien mit sehr unterschiedlichen Drücken gegeneinander abzudichten, also eine sichere Abdichtung zwischen dem gasförmigen Kraftstoff des Rücklaufs einerseits und dem hydraulischen Arbeitsmedium andererseits zu erreichen. Hohe Druckdifferenzen von einigen 100 bar gegeneinander abzudichten ist technisch sehr aufwendig und ein solcher Gasdruckregler wäre entsprechend teuer und würde die Effizienz des gesamten Systems vermindern.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasdruckregler weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine effektive Abdichtung des hydraulischen Arbeitsmediums gegenüber dem gasförmigen Kraftstoff innerhalb des Gasdruckreglers mit geringem Aufwand möglich ist, so dass dieser einfach und mit geringem Aufwand hergestellt werden kann und aufwändige Abdichtungsmaßnahmen unterbleiben können. Dazu weist der Gasdruckregler ein Gehäuse auf, in dem ein längsbeweglicher Gaskolben angeordnet ist, der mit einer ersten Stirnseite einen Gasraum begrenzt und mit seiner gegenüberliegenden, zweiten Stirnseite einen mit einer Arbeitsflüssigkeit befüllbaren Druckraum, wobei der Gaskolben zwischen den beiden Stirnflächen eine an seiner Außenseite umlaufende erste Dichtung aufweist, mit der der Gaskolben dichtend im Gehäuse geführt ist und die den Gasraum abdichtet. Weiter ist ein Absteuerventil vorgesehen, dass durch das Zusammenwirken des Gaskolbens mit einem Ventilsitz gebildet ist und über das Gas aus dem Gasraum abgeleitet werden kann. An der Außenseite des Gaskolbens ist eine zweite, umlaufende Dichtung ausgebildet, die einen den Gaskolben zumindest teilweise umgebenden Niederdruckgasraum begrenzt und den Niederdruckgasraum von einem Gasrücklaufraum trennt, wobei der Gasraum über das Absteuerventil mit dem Gasrücklaufraum verbindbar ist.
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Durch das Vorsehen der zweiten umlaufenden Dichtung können innerhalb des Gasdruckreglers drei gasgefüllte Räume mit verschiedenen Drücken realisiert werden: Neben dem Gasraum, aus dem das Gasrail gespeist wird, ein Gasrücklaufraum, in dem ein Gasdruck herrscht, der unterhalb des Gasdrucks im Gasrail liegt, jedoch oberhalb des Drucks im Gastank. Schließlich ein Niederdruckgasraum, der durch die zweite Dichtung vom Gasrücklaufraum getrennt ist und in dem der gleiche, niedrige Druck wie im Gastank herrscht. Dieser Niederdruckgasraum kann in einfacher Weise gegen einen ebenfalls auf niedrigem Druck befindlichen hydraulischen Flüssigkeitsniederdruckraum abgedichtet werden, der die Leckage aus dem hydraulischen Druckraum aufnimmt. Da auf beiden Seiten der Dichtung nur ein niedriger und damit praktisch gleicher Druck herrscht, kann eine zuverlässige Abdichtung in einfacher Weise realisiert werden und damit eine absolute Trennung von gasförmigem Kraftstoff einerseits und hydraulischem Arbeitsmedium anderseits, ohne dass es zu einem nennenswerten Rückfluss von gasförmigem Kraftstoff in den Tank kommt, was dort zu den oben bereits beschriebenen ungünstigen Wirkungen führen würde.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilsitz an einem Steuerkolben ausgebildet, der durch die Längsbewegung des Gaskolbens bewegbar ist und dadurch zumindest mittelbar einen Gashochdruckzulauf in den Gasraum öffnen kann. Durch die Verwendung eines Steuerkolbens zum Öffnen des Gashochdruckzulaufs muss diese Funktionalität nicht vom Gaskolben realisiert werden, was eine zweckmäßige Ausgestaltung beider Bauteile erlaubt und damit eine zuverlässige Funktion.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Steuerkolben in seiner ersten, dem Gaskolben zugewandten Endstellung einen axialen Abstand zu einem Einlassventilkolben auf, der die Öffnung des Gasraums zu dem Gashochdruckzulauf durch seine Längsbewegung öffnet und schließt. Da der Steuerkolben nicht direkt auf dem Einlassventilkolben aufliegt, ergibt sich eine Verzögerung zwischen der Bewegung des Steuerkolbens und der des Einlassventilkolbens, so dass das Absteuerventil geschlossen werden kann, ohne dass unmittelbar der Gashochdruckzulauf geöffnet wird. Auf diese Weise lässt sich eine stabile Stellung des Steuerkolbens anfahren, bei der sowohl der Gaszulauf als auch der Gasablauf geschlossen sind, beispielsweise wenn momentan kein Gas innerhalb des Systems verbraucht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Einlassventilkolben durch eine Einlassventilfeder in Richtung des Gaskolbens axial vorgespannt, so dass er stets in seine Schließstellung zurückkehrt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Außendurchmesser der ersten Dichtung vom Außendurchmesser der zweiten Dichtung verschieden. Durch die unterschiedlichen Durchmesser der Dichtungen kann eine zusätzliche Kraft auf den Steuerkolben in seiner Längsrichtung ausgeübt werden, da die hydraulisch bzw. pneumatisch wirksame Fläche verschieden ist. Je nachdem, welche der beiden Dichtungen größer ist, lässt sich so eine zusätzliche Schließkraft oder eine zusätzliche Öffnungskraft auf den Gaskolben ausüben, so dass sich entweder die Öffnungsgeschwindigkeit oder die Schließgeschwindigkeit des Gaskolbens erhöht und die Dynamik des Gaskolbens in günstiger Weise beeinflusst werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Gaskolben durch eine Gaskolbenfeder in Richtung des Druckraums axial vorgespannt. Ist die hydraulisch wirksame Fläche bzw. die pneumatisch wirksame Fläche des Gaskolbens gleich, so kann über die Stärke der Gaskolbenfeder die Druckdifferenz zwischen dem hydraulischen Arbeitsraum und dem Gasraum eingestellt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Gaskolben angrenzend an den mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllten Druckraum mit einem Führungsabschnitt im Gehäuse geführt, wobei der Führungsabschnitt auf der dem Druckraum abgewandten Seite einen Flüssigkeitsniederdruckraum begrenzt, der den Gaskolben umgibt. Dieser Flüssigkeitsniederdruckraum nimmt die unvermeidbare Leckage aus dem Druckraum auf, wird dabei jedoch auf niedrigem Druck gehalten, so dass dieser Flüssigkeitsniederdruckraum leicht gegen den Niederdruckgasraum abdichtbar ist. Dies geschieht in vorteilhafter Weise durch einen Faltenbalg, der des Gaskolben umgibt und der den Niederdruckgasraum vom Flüssigkeitsniederdruckraum trennt. Dabei ist der Faltenbalg in vorteilhafterweise an einem Ende mit dem Gaskolben mediendicht verbunden.
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Weiter ist Gegenstand der Erfindung ein System zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Kraftstoff, wobei das System einen Gastank aufweist, der über eine Gaspumpe mit einem Zwischentank verbunden ist. Der Zwischentank ist zur Versorgung eines Gasrails mit gasförmigem Kraftstoff unter einem vorgebbaren Arbeitsdruck verbunden, wobei der Gasdruckregler gemäß dem Anspruch 1 ausgebildet ist und hier die oben genannten Vorteile entfalten kann.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Systems ist der Gasdruckregler mit einem Rücklaufspeicher verbunden, so dass in diesem Rücklaufspeicher ein Gasdruck vorgehalten werden kann, der zwischen dem Druck des Gastanks und dem Druck im Gasrail liegt. Weiterhin ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass ein Hochdruckspeicher für das flüssige Arbeitsmedium mit dem Druckraum des Gasdruckreglers verbunden ist, um den für die Funktion des Gasdruckreglers notwendigen hydraulischen Druck zur Verfügung zu stellen. Dabei ist das flüssige Arbeitsmedium in vorteilhafterweise ein flüssiger Kraftstoff.
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Weiter wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Systems vorgeschlagen, bei dem im Rücklaufspeicher ein Gasdruck vorgehalten wird, der zwischen Druck im Gasraum und dem Druck im Gastank liegt. Dieser Rücklaufspeicher stellt ein weiteres Druckniveau zur Verfügung, mit dem Leckage des Gasdruckreglers minimiert werden kann und dessen Gas als Gasquelle dienen kann, das energiesparend auf den Druck im Zwischentank verdichtet werden kann.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Gasdruckregler für gasförmigen Kraftstoff gezeigt ebenso wie ein System mit einem solchen Gasdruckregler. Dazu zeigt
- 1 ein erfindungsgemäßes System zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigen Kraftstoff mit einem Gasdruckregler,
- 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Gasdruckregler und
- 3 ein pneumatisches bzw. hydraulisches Ersatzschaltbild für den erfindungsgemäßen Gasdruckregler.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes System zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Kraftstoff schematisch dargestellt. Dieses System ist dazu ausgebildet, sowohl gasförmigen Kraftstoff als auch flüssigen Kraftstoff einem Injektor zuzuführen, der dann beide Kraftstoffe gleichzeitig oder auch zeitlich versetzt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einbringen kann. Das System umfasst dazu ein Gassystem und ein Flüssigkeitssystem. Das Gassystem, das in der 1 mit A bezeichnet ist, weist einen Gastank 100 auf, in dem gasförmiger Kraftstoff vorzugsweise kryogen gespeichert ist und in dem ein niedriger Druck herrscht. Der gasförmige Kraftstoff wird über eine Gaspumpe 150 verdichtet und über eine Leitung 101 einem Zwischentank 200 zugeführt, wo der gasförmige Kraftstoff zwischengespeichert wird. Über eine Leitung 201 wird der gasförmige Kraftstoff einem Gasdruckregler 1 zugeführt, der den Gasdruck auf das gewünschte Niveau regelt und schließlich einem Gasrail 400 zuführt, wo gasförmiger Kraftstoff unter dem für die Eindüsung in den Brennraum der Brennkraftmaschine notwendigen Druck vorgehalten wird. Aus dem Gasrail 400 wird der gasförmige Kraftstoff über eine Leitung 401 einem Injektor 700 oder mehreren Injektoren 700 zugeführt, über die der gasförmige Kraftstoff schließlich direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht wird.
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Am Gasdruckregler 1 ist ein Rücklaufanschluss 40 vorgesehen, von dem eine Leitung 301 in einen Rücklaufspeicher 300 führt. Im Rücklaufspeicher 300 wird gasförmiger Kraftstoff vorgehalten, dessen Druck zwischen dem Druck im Gastank 100 und im Gasrail 400 liegt. Zur weiteren Verwendung des Gases innerhalb des Rücklaufspeichers 300 wird dieses bei Bedarf über eine weitere Leitung 302 wieder der Gaspumpe 150 zugeführt, so dass - so weit genug gasförmiger Kraftstoff im Rücklaufspeicher 300 zur Verfügung steht - dieses zur weiteren Verdichtung durch die Gaspumpe 150 verwendet werden kann und kein weiteres Gas aus dem Gastank 100 entnommen werden muss. Der Gasdruckregler 1 weist weiterhin einen Niederdruckgasablauf 38 auf, der mit einer Rücklaufleitung 102 verbunden ist, über die gasförmiger Kraftstoff, der nur einen niedrigen Druck aufweist, bei Bedarf direkt in den Gastank 100 abgesteuert werden kann.
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Der Gasdruckregler 1 ist darüber hinaus über einen Flüssigrücklaufanschluss 37 und eine Leitung 502 mit einem Flüssigkeitstank 500 verbunden. Der Flüssigkeitstank 500 ist Teil des Flüssigkeitssystems, das in der 1 mit B bezeichnet ist und ein flüssiges Arbeitsmedium zur Verfügung stellt, beispielsweise flüssigen Kraftstoff, der im Flüssigkeitstank 500 vorgehalten wird. Mit dem Flüssigkeitstank 500 ist eine Flüssigkeitspumpe 550 verbunden, die die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitstank verdichtet und über eine Leitung 501 einem Hochdruckspeicher 600 zuführt. Der Hochdruckspeicher 600 ist mit einem Hochdruckzulauf 33 des Gasdruckreglers 1 verbunden und darüber hinaus über eine Leitung 601 mit den Injektoren 700 bzw. dem Injektor 700.
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In 2 ist der Aufbau des Gasdruckreglers 1 schematisch im Längsschnitt dargestellt. Der Gasdruckregler 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem ein Gaskolben 3 längsverschiebbar angeordnet ist. Der Gaskolben 3, der auch mehrteilig aufgebaut sein kann, weist an seiner in der Zeichnung linken Seite einen Führungsabschnitt 6 auf, mit dem er dichtend innerhalb des Gehäuses 2 geführt ist und durch seine erste Stirnseite 17 einen Druckraum 7 begrenzt, der mit einem flüssigen Arbeitsmedium befüllbar ist. Zur Befüllung des Druckraums 7 ist dieser mit einem im Gehäuse 2 ausgebildeten Hochdruckzulauf 33 verbunden, über welchen verdichtete Flüssigkeit aus dem Hochdruckspeicher 600 in den Druckraum 7 geleitet werden kann, die das Arbeitsmedium bildet. Zur Regulierung des Drucks im Druckraum 7 ist ein Absteuerventil 34 vorgesehen, das bei Überschreiten eines vorgegebenen Drucks öffnet, so dass flüssiges Arbeitsmedium aus dem Druckraum 7 über eine Absteuerleitung 35 und einen Rücklaufanschluss 37 in den Flüssigkeitstank 500 zurückgeführt wird.
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Angrenzend an den Führungsabschnitt 6 ist innerhalb des Gehäuses 2 ein Flüssigkeitsniederdruckraum 13 ausgebildet, der den Gaskolben 3 umgibt und der die Leckage aufnimmt, die aus dem Druckraum 7 über den unvermeidlichen Spalt, der zwischen der Wand des Gehäuses 2 und dem Führungsabschnitt 6 verbleibt, in den Flüssigkeitsniederdruckraum 13 fließt. Innerhalb des Flüssigkeitsniederdruckraums 13 ist ein Ringelement 15 vorgesehen, das den Gaskolben 13 umgibt und das mittels einer Dichtung 16 gegenüber dem Gehäuse 2 an seiner Außenseite abgedichtet ist. Das Ringelement 15 ist hier über eine mediendichte Schweißverbindung mit einem Faltenbalg 14, verbunden wobei der Faltenbalg 14 auf seiner gegenüberliegenden Seite - ebenfalls mediendicht - mit dem Gaskolben 3 verbunden ist. Auf diese Weise wird der Flüssigkeitsniederdruckraum 13 vollständig abgedichtet, einerseits über die Dichtung 16 und andererseits über den Faltenbalg 14 bzw. dessen mediendichte Verbindungen mit der Ringelement 15 bzw. dem Gaskolben 3.
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Den Faltenbalg 14 umgibt ein Niederdruckgasraum 9, der über einen Niederdruckgasablauf 38 mit dem Gastank 100 verbindbar ist und in dem entsprechend ein niedriger Gasdruck herrscht. Da zwischen dem Flüssigkeitsniederdruckraum 13 und dem Niederdruckgasraum 9 nur eine geringe Druckdifferenz besteht, liegt entsprechend am Faltenbalg 14 keine oder nur eine geringe Druckdifferenz an. Der Faltenbalg 14 muss damit keine oder nur geringe, in radiale Richtung wirkende Kräfte aufnehmen, so dass dessen Form und Funktionalität stets erhalten bleibt.
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Der Gaskolben 3 weist eine erste Dichtung 24 und eine zweite Dichtung 25 auf, wobei die zweite Dichtung 25 den Niederdruckgasraum 9 von einem den Gaskolben 3 umgebende Gasrücklaufraum 10 trennt, während die erste Dichtung 24 den Gasrücklaufraum 10 von einem Gasraum 5 trennt, der in der 2 im rechten Bereich des Gehäuses 2 dargestellt ist. Sowohl die erste Dichtung 24 als auch die zweite Dichtung 25 umfassen dabei jeweils ein Dichtelement 27, 27' und jeweils einen innerhalb des Dichtelements 27, 27' angeordneten elastischen Ring 26, 26', der dafür sorgt, dass das Dichtelement 27, 27' gegen die Wand des Gehäuses 2 gedrückt wird und so den Spalt zwischen dem Gaskolben 3 und dem Gehäuse 2 weitgehend abdichtet. Bis auf eine unvermeidliche Leckage wird so verhindert, das gasförmiger Kraftstoff an den Dichtungen 24, 25 vorbei vom Gasrücklaufraum 10 in den Niederdruckgasraum 9 fließt oder vom Gasraum 5 in den Gasrücklaufraum 10.
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Im Gasraum 5 ist eine Gaskolbenfeder 4 unter Druckvorspannung angeordnet, die sich einerseits an einem Absatz 44 im Gehäuse 2 abstützt und andererseits am Gaskolben 3, wodurch der Gaskolben 3 in Richtung des Druckraums 7 mit einer Kraft beaufschlagt wird. Weiterhin ist am Gaskolben 3 eine konische Dichtfläche 22 ausgebildet, mit der der Gaskolben 3 mit einem ebenfalls konischen Ventilsitz 21 zusammenwirkt und dadurch ein Ablassventil bildet, wobei der Ventilsitz 21 an einem Steuerkolben 28 ausgebildet ist, welcher teilweise im Gaskolben 3 aufgenommen ist und der ebenfalls längsbeweglich im Gasraum 5 gelagert ist. Die Dichtfläche 22 ist dabei über eine Verbindungsbohrung 8, die sich in eine Längsbohrung 8a und eine Querbohrung 8b unterteilt, mit dem Gasrücklaufraum 10 verbunden. Die Verbindung zum Gasraum 5 wird über eine weitere Querbohrung 12 bzw. mehrere weitere Querbohrungen 12 gebildet, die innerhalb des Gaskolbens 3 ausgebildet sind. Das durch den Ventilsitz 21 und die Dichtfläche 22 gebildete Absteuerventil 20 öffnet so eine Verbindung zwischen dem Gasraum 5 und dem Gasrücklaufraum 10, wenn der Ventilsitz 21 von der Dichtfläche 22 beabstandet ist. Liegt der Gaskolben 3 mit seiner Dichtfläche 22 auf dem Ventilsitz 21 auf, so wird die Verbindung unterbrochen und der Gasrücklaufraum ist vom Gasraum 5 getrennt.
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Der Steuerkolben 28 ist längsbewegbar innerhalb des Gasraums 5 angeordnet und wird von einer Steuerkolbenfeder 29 in Richtung der Dichtfläche 22 mit einer Kraft beaufschlagt und so an einer Anschlagfläche 39 gehalten, die im Gehäuse 2 ausgebildet ist. Zur Verbindung der unterschiedlichen Teilräume des Gasraums 5 untereinander sind im Gehäuse 2 mehrere Bohrungen 23 bzw. Nuten ausgebildet, so dass innerhalb des Gasraums 5 kein Druckgefälle entstehen kann. Auf der dem Gaskolben 3 abgewandten Seite des Steuerkolbens 28 ist weiterhin ein Einlassventilkolben 30 längsverschiebbar gelagert, der an seiner einem Gashochdruckzulauf 11 zugewandten Seite einen Ventilteller 130 ausbildet, welcher mit einem entsprechenden Sitz eines Einlaufkörpers 19 zusammenwirkt. Dabei wird der Einlassventilkolben 30 durch eine Einlassventilkolbenfeder 31 mit einer Schließkraft beaufschlagt, so dass der Ventilteller 130 gegen den Sitz im Einlaufkörper 19 gedrückt wird. Vom Gasraum 5 geht ein Gasrailanschluss 42 aus, der den Gasraum 5 mit dem Gasrail 400 verbindet. Der Steuerkolben 28 ist vom Einlassventilkolben 30 axial beabstandet, so dass eine Bewegung des Steuerkolbens 28 nicht unmittelbar eine Bewegung des Einlassventilkolbens 30 zur Folge hat. Dabei ist die Einlassventilkolbenfeder 31 an einem Stützelement 32 abgestützt, das mit dem Einlassventilkolben 30 fest verbunden ist und diesen umgibt.
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Der Gasdruckregler 1 ist dafür ausgelegt, im Gasraum 5 einen Druck aufrecht zu erhalten, der etwas unterhalb des Drucks des flüssigen Arbeitsmediums im Druckraum 7 liegt. Dazu funktioniert der Gasdruckregler 1 wie folgt:
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Ist der Druck im Gasraum 5 höher als der Druck im Druckraum 7, so ergibt sich die in der 2 dargestellte Stellung des Gaskolbens 2, da der pneumatische Druck im Gasraum 5 den hydraulischen Druck im Druckraum 7 übersteigt und den Gaskolben 3 in Richtung des Druckraums 7 drückt. Da der Steuerkolben 28 durch seine Anlage an der Anschlagfläche 39 an einer Längsbewegung gehindert wird, entfernt sich die Dichtfläche 22 vom Ventilsitz 21 und öffnet somit das Absteuerventil 20. Gasförmiger Kraftstoff strömt darauf hin aus dem Gasraum 5 über die weitere Querbohrung 12, die Längsbohrung 8a und die Querbohrung 8b in den Gasrücklaufraum 10, von wo der gasförmige Kraftstoff über den Rücklaufanschluss 40 in den Rücklaufspeicher 300 gelangt, was den Gasdruck im Gasraum 5 mindert. Der Gashochdruckzulauf 11 ist in dieser Stellung des Gaskolbens 3 verschlossen, da durch den Gaskolben 3 keine Kraft auf den Steuerkolben 28 ausgeübt wird. Der Steuerkolben 28 ist vom Einlassventilkolben 30 beabstandet und entsprechend verschließt der Einlassventilkolben 30 den Gashochdruckzulauf 11.
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Steigt der Druck im Druckraum 7 an, bis die hydraulische Kraft auf den Gaskolben 3 die pneumatische Kraft im Gasraum 5 und die Kraft der Gaskolbenfeder 4 übersteigt, so wird der Gaskolben 3 in Längsrichtung in Richtung des Steuerkolbens 28 bewegt, bis er mit seiner Dichtfläche 22 auf dem Ventilsitz 21 des Steuerkolbens 28 zur Anlage kommt. Das durch die Dichtfläche 22 und den Ventilsitz 21 gebildete Steuerventil 20 verschließt damit die Verbindung zwischen dem Gasraum 5 und dem Gasrücklaufraum 10, so dass beide Gasräume 5, 10 jetzt gegeneinander abgedichtet sind. Da über die Steuerkolbenfeder 29 eine weitere Längskraft in Richtung des Druckraums 7 auf den Gaskolben 3 wirkt, bleibt der Gaskolben 3 solange in dieser Stellung, bis der hydraulische Druck im Druckraum 7 weiter ansteigt und schließlich neben dem pneumatischen Druck im Gasraum 5 auch die Kraft der Gaskolbenfeder 4 und der Steuerkolbenfeder 29 überwindet. Der Gaskolben 3 bewegt sich weiter in Längsrichtung und drückt dabei den Steuerkolben 28 in Richtung des Einlassventilkolbens 30, bis der Steuerkolben 28 nach Durchfahren des Hubs a am Einlassventilkolben 30 zur Anlage kommt. Überdrückt der hydraulische Druck im Druckraum 7 schließlich auch die Kraft der Einlassventilkolbenfeder 31, so wird der Einlassventilkolben 30 in den Gashochdruckzulauf 11 gedrückt, und der Ventilteller 130 gibt den Strömungsweg frei, über den Gas unter hohem Druck aus dem Gashochdruckzulauf 11 in den Gasraum 5 strömen kann.
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Durch das einströmende Gas erhöht sich der Druck im Gasraum 5 und über den Gasrailanschluss 42 auch im Gasrail 400, bis der pneumatische Druck im Gasraum 5 den Gaskolben 3 wieder in Richtung des Druckraums 7 bewegt. In umgekehrter Abfolge der Bewegung der Kolben schließt dann zuerst der Einlassventilkolben 30 und trennt den Gasraum 5 vom Gashochdruckzulauf 11. Wird gasförmiger Kraftstoff über die Injektoren 700 verbraucht und sinkt dadurch der Druck im Gasraum 5 wieder ab, so öffnet der Einlassventilkolben 30 erneut, so dass gasförmiger Kraftstoff aus dem Gashochdruckzulauf 11 nachströmt dabei bleibt das Absteuerventil 20 ständig geschlossen.
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Sinkt der Druck im Druckraum 7 ab bzw. steigt der Druck im Gasraum 5 über einen Grenzwert an, so wird der Gaskolben 3 in Längsrichtung in den Druckraum 7 bewegt, bis die Dichtfläche 22 des Gaskolbens 3 vom Ventilsitz 21 abhebt und den Strömungsquerschnitt zwischen dem Gasraum 5 und dem Gasrücklaufraum 10 aufsteuert. Dadurch sinkt der Druck im Gasraum 5 ab, bis er geringer ist als der Druck im Druckraum 7. Kehren sich die Druckverhältnisse zwischen dem Druckraum 7 und dem Gasraum 5 erneut um, so bewegt sich der Gaskolben 3 wieder in Richtung des Steuerkolbens 28, und die oben beschriebene Befüllung des Gasraums 5 über den Gashochdruckzulauf 11 findet erneut statt. Durch das Wechselspiel zwischen dem Steuerkolben 28, dem Einlassventilkolben 30 und dem Gaskolben 3 wird so ein stabiler Druckunterschied zwischen dem Druckraum 7 und dem Gasraum 5 eingestellt, ohne das weitere Mittel, insbesondere keine elektrischen Regelungsmittel, vorhanden sein müssen.
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In 3 ist zum besseren Verständnis ein Ersatzschaltbild für den Gasdruckregler gezeigt, dass die Funktionsweise des Steuerventils 20, des durch den Einlasskolben 30 gebildeten Einlassventils und des Absteuerventils 34 nochmals verdeutlicht. Diese drei Ventile bilden die Grundlage für die Steuerung des Gasdrucks im Gasraum 5 im Verhältnis zum hydraulischen Druck im Flüssigkeitssystem, der im Druckraum 7 herrscht. Bei einer Bewegung des Gaskolbens 3 wird das Steuerventil 20 verschoben, der hier das Steuerelement ist, kommt nach einem Freihub am Einlassventilkolben 30 zur Anlage und verschiebt bei entsprechenden Kräfteverhältnissen diesen, so dass der Gashochdruckzulauf 11 geöffnet wird. Der Druck im Druckraum 7, der direkt auf den Gaskolben 3 wirkt, wird über das Absteuerventil 34 und den Hochdruckzulauf 33 geregelt.
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Das Gas, das im Rücklaufspeicher 300 vorgehalten wird, wird nicht in den Tank 100 zurückgeleitet, sondern der Gaspumpe 150 zugeführt und durch diese erneut auf den höheren Druck im Zwischentank 200 verdichtet. Der Zwischentank 200 ist mit dem Hochdruckanschluss 11 verbunden und weist einen Druck auf, der oberhalb des Drucks des Gasrails 400 liegt, jedoch ist keine hohe Druckdifferenz notwendig, um das gewünschte Druckniveau im Gasrail 400 zu erreichen.
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Der Rücklaufspeicher 300 erlaubt es, die Druckdifferenz an den Dichtungen zu reduzieren, so dass an keiner Dichtung des Gasdruckreglers die volle Druckdifferenz zwischen dem Gastank 100 und dem Zwischentank 200 anliegt. Der Gasdruck im Rücklaufspeicher 300 und damit auch im Gasrücklaufraum 10 liegt zwischen dem Druck im Gastank 100 und dem Druck im Gasrail 400 bzw. im Zwischentank 200. Damit herrscht an der ersten Dichtung 24 eine Druckdifferenz, die gegeben ist durch den Druck im Gasrücklaufraum 10 und im Gasraum 5 und die beispielsweise 100 bar beträgt, wenn im Rücklaufspeicher 300 bzw. im Gasrücklaufraum 10 100 bar Druck herrscht und im Gasraum 5 200 bar. Entsprechend herrscht an der zweiten Dichtung 25 zwischen dem Gasrücklaufraum 10 und dem Niederdruckgasraum 9 eine ebenso große Druckdifferenz, so dass sowohl die erste Dichtung 24 als auch die zweite Dichtung 25 der Differenzdruck von 100 bar ausgesetzt sind. Die unvermeidliche Leckage an der ersten Dichtung 24 bzw. der zweiten Dichtung 25 ist bei dem diesem Gasdruckregler 1 relativ gering, da zwischen dem Gasrücklaufraum 10 und dem Gasraum 5 nur ein relativ geringer Druckunterschied besteht, ebenso wie zwischen dem Gasrücklaufraum 10 und dem Niederdruckgasraum 9.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016207743 A1 [0002]
