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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Ventilanordnung zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems.
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Stand der Technik
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Kraftfahrzeuge, deren Brennkraftmaschinen mit Erdgas („Natural Gas“ = NG) betrieben werden, weisen in der Regel spezielle Tanks zur Bevorratung des Kraftstoffs auf. Bei diesen Tanks handelt es sich um tiefkalte Speicher, die ausreichend isoliert sind, um das Erdgas in flüssiger Form („Liquefied Natural Gas“ = LNG) zu speichern. Die ideale Speichertemperatur von Erdgas beträgt -160 °C. Eine eigene Kühlung besitzen diese Tanks in der Regel nicht.
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Aus energetischer Sicht ist es daher sinnvoll, Gas-Rücklaufmengen, die zurück in den Tank geführt werden, so klein wie möglich zu halten, um eine unnötige Erwärmung des im Tank bevorrateten flüssigen Kraftstoffs zu verhindern. Denn die Erwärmung kann dazu führen, dass der flüssige Kraftstoff wieder gasförmig wird und es zu einem unerwünschten Druckanstieg im Tank kommt. Zum Schutz des Tanks muss dann Gas abgelassen werden. Damit geht ein Teil des energetisch wertvollen Kraftstoffs verloren. Zugleich verringert sich die Effizienz des Kraftstoffsystems.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sensibilität eines Kraftstoffsystems in Bezug auf Gas-Rücklaufmengen, die in den Tank zurückgeführt werden, zu verringern. Auf diese Weise soll ein Kraftstoffsystem geschaffen werden, dass besonders effizient ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Kraftstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Ferner wird eine Ventilanordnung für ein solches Kraftstoffsystem angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, wird ein Kraftstoffsystem vorgeschlagen, das einen Tank zum Bevorraten des Kraftstoffs in flüssiger Form, eine Kraftstoffpumpe zum Verdichten des Kraftstoffs, einen Hochdruckspeicher zum Speichern des verdichteten Kraftstoffs sowie ein Gas-Rail umfasst, an das mindestens ein Kraftstoffinjektor angeschlossen ist. Erfindungsgemäß umfasst das Kraftstoffsystem ferner:
- - eine Ventilanordnung (6) zur Gasdruckregelung im Gas-Rail (4), umfassend ein erstes Ventil (6.1) zur Verbindung des Gas-Rails (4) mit dem Hochdruckspeicher (3) sowie ein zweites Ventil (6.2) zur Verbindung des Gas-Rails (4) mit einer Gas-Rücklaufleitung (7), wobei das erste und das zweite Ventil (6.1, 6.2) jeweils einen Steuerkolben (12) aufweisen, der stirnseitig einen mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbaren Steuerraum (13) begrenzt, sowie
- - einen in der Gas-Rücklaufleitung (7) angeordneten Zwischendruckspeicher (8) mit einem Wärmetauscher (9) zur Kühlung der rücklaufenden Kraftstoffmenge und/oder ein in der Gas-Rücklaufleitung (7) angeordnetes Druckhalteventil (10) zur Rückverflüssigung der rücklaufenden Kraftstoffmenge.
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Zur Gasdruckregelung im Gas-Rail kann demnach über die Ventilanordnung, und zwar über das zweite Ventil der Ventilanordnung, eine Gas-Rücklaufmenge zurück in den Tank geführt werden. Zuvor jedoch wird die Gas-Rücklaufmenge gekühlt und/oder rückverflüssigt, so dass der Wärmeeintrag in den Tank reduziert wird. Auf diese Weise kann der Tankdruck auf einem Niveau gehalten werden, der ein Ablassen von Gas entbehrlich macht. Folglich steigt die Effizienz des Kraftstoffsystems.
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Bevorzugt wird die Gas-Rücklaufmenge vor Erreichen des Tanks in einem Zwischenspeicher zwischengespeichert. Im Zwischenspeicher liegt vorzugsweise das Druckniveau bei 50 bis 200 bar. Um die zwischengespeicherte Gas-Rücklaufmenge in den flüssigen Zustand zu überführen, wird diese bevorzugt im Zwischenspeicher durch den Wärmetauscher auf eine Temperatur von etwa -80 °C heruntergekühlt. Zur Kühlung kann eine dem Tank mittels der Kraftstoffpumpe entnommene Gas-Zulaufmenge verwendet werden, die hierzu stromaufwärts des Hochdruckspeichers durch den Wärmetauscher geführt wird. Auf diese Weise kann die Effizienz des Kraftstoffsystems weiter gesteigert werden.
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Bevorzugt ist demnach eine die Kraftstoffpumpe mit dem Hochdruckspeicher verbindende Gas-Zulaufleitung zur Kühlung der rücklaufenden Kraftstoffmenge durch den Wärmetauscher geführt. Zur Kühlung muss somit keine Energie von außen zugeführt werden.
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Wird die im Zwischenspeicher abgekühlte und unter Druck stehende Gas-Rücklaufmenge zusätzlich über ein Druckhalteventil entspannt, verflüssigt sich der Kraftstoff nach dem Joule-Thomson-Effekt. In den Tank gelangt somit nur gekühlter und rückverflüssigter Kraftstoff.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems beruht auf einen deutlich verringerten Wärmeeintrag in den Tank, und zwar unter Ausnutzung des Temperaturhaushalts im Kraftstoffsystem. Folglich steigt der Systemgesamtwirkungsgrad.
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Die Ventile der zur Gasdruckregelung vorgesehenen Ventilanordnung sind systembedingt leckagebehaftet. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass die Ventilanordnung zur Rückführung einer Leckagemenge des ersten Ventils und/oder der zweiten Ventils über eine von der Gas-Rücklaufleitung getrennte Gas-Leckageleitung mit dem Tank verbunden ist. Das heißt, dass auch die Gas-Leckagemengen der Ventilanordnung zur Reduzierung der Verlustmengen zurück in den Tank geführt werden.
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Dadurch, dass die Gas-Leckagemengen über eine separate Gas-Leckageleitung in den Tank zurückgeführt werden, kann die Belastung der zur Medientrennung eingesetzten Dichtelemente gesenkt werden. Vorzugsweise werden zur Medientrennung Membrandichtungen, beispielsweise in Form eines Well- oder Faltenbalgs, eingesetzt welche die Steuerkolben umgeben, ohne die Beweglichkeit der Steuerkolbens einzuschränken. Da die mechanische Festigkeit derartiger Dichtelemente in der Regel begrenzt ist, kann durch die verringerte Belastung der Dichtelemente eine höhere Funktionssicherheit erzielt werden.
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Die vorgeschlagene Trennung der Gas-Rücklaufleitung und der Gas-Leckageleitung wird in einfacher Weise durch die ferner vorgeschlagene Ventilanordnung zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems ermöglicht. Die Ventilanordnung umfasst hierzu ein erstes Ventil zur Verbindung des Gas-Rails mit einem Hochdruckspeicher sowie ein zweites Ventil zur Verbindung des Gas-Rails mit einer Gas-Rücklaufleitung. Das erste und das zweite Ventil weisen jeweils einen Steuerkolben auf, der stirnseitig einen mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbaren Steuerraum begrenzt.
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Die Ventile der vorgeschlagenen Ventilanordnung können zu einer Baueinheit zusammengefasst werden, was den Bauraumbedarf senkt und die Montage vereinfacht. Im Übrigen jedoch können beide Ventile funktional voneinander getrennt werden. Dies hat den Vorteil, dass eine gezielte Auslegung der Komponenten eines Ventils im Hinblick auf die jeweilige Ventilanforderung möglich ist. Beispielsweise können Dichtsitzbelastungen unabhängig voneinander ausgelegt werden. Auf diese Weise wird eine erhöhte Funktionssicherheit erreicht, die auch auf Dauer gewährleistet ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der in der Gas-Rücklaufleitung anstehende Gasdruck keinen Einfluss auf die Schaltfunktion des ersten Ventils hat, das den Hochdruckspeicher mit dem Gas-Rail verbindet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Steuerräume über einen gemeinsamen Druckmittel-Zulaufkanal, in dem vorzugsweise mindestens eine Zulaufdrossel ausgebildet ist, hydraulisch verbunden. Auf diese Weise kann eine besonders kompaktbauende Ventilanordnung geschaffen werden.
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Die mindestens eine im Druckmittel-Zulaufkanal ausgebildete Zulaufdrossel begrenzt vorzugsweise den Zulauf des hydraulischen Druckmittels in Richtung beider Steuerräume. Das heißt, dass der Zustrom in die Steuerräume gedrosselt ist, wenn der Steuerdruck in einem Steuerraum abgebaut werden soll. Dadurch ist sichergestellt, dass der jeweilige Steuerkolben entlastet wird und das Ventil zu öffnen vermag.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass mindestens eine weitere Zulaufdrossel vorgesehen ist, die ausschließlich den Zulauf des hydraulischen Druckmittels in Richtung des Steuerraums des zweiten Ventils drosselt. Das heißt, dass sich zunächst der Steuerraum des ersten Ventils füllt, so dass das erste Ventil schließt bevor das zweite Ventil öffnet. Dadurch ist sichergestellt, dass es nicht zu einem hydraulischen Kurzschluss (beide Ventile geöffnet) zwischen den beiden Ventilen kommt.
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Alternativ oder ergänzend kann auch eine Druckfeder eingesetzt werden, deren Federkraft dem Steuerkolben des ersten Ventils eine Gegenkraft zur Reduzierung der Stellkraft aufprägt. Auch durch diese Maßnahme kann sichergestellt werden, dass das erste Ventil immer geschlossen ist bevor das zweite Ventil öffnet.
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Zur Entlastung der Steuerräume ist vorzugsweise ein Druckregelventil vorgesehen. Mit Hilfe eines einzigen Druckregelventils kann ein Druckabbau in beiden Steuerräumen bewirkt werden, wobei der Druckabbau bevorzugt zeitlich versetzt erfolgt, so dass die Ventile - zur Vermeidung eines hydraulischen Kurzschlusses - nicht gleichzeitig öffnen. Um ein zeitlich versetztes Öffnen der Ventile zu bewirken, kann beispielsweise der Steuerraum des ersten Ventils unmittelbar über die Druckmittel-Zulaufleitung mit dem Druckregelventil verbunden sein, während der Steuerraum des zweiten Ventils mittelbar über eine in der Druckmittel-Zulaufleitung ausgebildete Zulaufdrossel mit dem Druckregelventil verbunden ist. Über das Druckregelventil ist vorzugsweise der Druckmittel-Zulaufkanal mit einer Druckmittel-Rücklaufleitung verbindbar, über welche das hydraulische Druckmittel zurück in einen Druckmittel-Tank führbar ist, so dass auch diese Rücklaufmenge dem System nicht verloren geht.
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Bei dem hydraulischen Druckmittel kann es sich beispielsweise um einen flüssigen Kraftstoff, insbesondere um Dieselkraftstoff, handeln, welcher zur Steuerung des Kraftstoffinjektors, zur Zündung des gasförmigen Kraftstoffs und/oder als alternativer Kraftstoff an Bord des Kraftfahrzeugs mitgeführt wird. In beiden Fällen ist vorzugsweise ein weiteres Kraftstoffsystem zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Dieselkraftstoff vorgesehen, wobei vorzugsweise das weitere Kraftstoffsystem zumindest einen Tank, eine Kraftstoffpumpe und ein Diesel-Rail umfasst.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die hydraulisch betätigbaren Steuerkolben der Ventile der Ventilanordnung jeweils von einem Dichtelement umgeben sind, das einerseits am Steuerkolben, andererseits gehäuseseitig befestigt ist. Auf diese Weise kann eine sichere Trennung der Medien gasförmiger Kraftstoff und hydraulisches Druckmittel bewirkt werden. Vorzugsweise ist das Dichtelement als Well- oder Faltenbalg ausgeführt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Beweglichkeit der Steuerkolben im Wesentlichen nicht beeinträchtigt wird.
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Dadurch, dass die Ventile der vorgeschlagenen Ventilanordnung funktional voneinander getrennt sind, ergeben sich auch Vorteile im Hinblick auf die Auslegung der Dichtelemente. Denn zum einen verringern sich die Hübe der Steuerkolben, so dass die mechanische Belastung der Dichtelemente abnimmt. Zum anderen können die Dichtelemente geometrisch kompakter ausgelegt werden, wodurch sich die Gleitbewegungen zwischen den Steuerkolben und den Dichtelementen und der damit einhergehende Verschleiß reduzieren. In der Folge ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Funktion und der Haltbarkeit der Dichtelemente und damit auch hinsichtlich der Kosten.
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Bevorzugt begrenzen die Dichtelemente jeweils einen Gas-Leckageraum, der über einen Anschluss mit einer in einen Tank zurück führenden Gas-Leckageleitung verbunden ist. An den Dichtelementen zur Medientrennung steht somit nur noch der Tankdruck an, wodurch die Belastung der Dichtelemente weiter abnimmt.
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Das erste und das zweite Ventil der vorgeschlagenen Ventilanordnung können nebeneinander oder hintereinander angeordnet sein. Entsprechend können die Längsachsen der Steuerkolben der beiden Ventile parallel oder koaxial ausgerichtet sein. Die konkrete Ausgestaltung der Ventilanordnung kann somit an die jeweiligen Bauraumverhältnisse optimal angepasst werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems,
- 2 a) einen schematischen Längsschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Ventilanordnung für ein erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem und b) den Schaltplan der Ventilanordnung,
- 3 a) einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Ventilanordnung für ein erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem und b) den Schaltplan der Ventilanordnung, und
- 4 a) einen schematischen Längsschnitt durch eine dritte erfindungsgemäße Ventilanordnung für ein erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem und b) den Schaltplan der Ventilanordnung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffsystem dient der Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, wobei es sich insbesondere um Erdgas handeln kann. Zur Bevorratung des gasförmigen Kraftstoffs umfasst das Kraftstoffsystem einen Tank 1, in dem der Kraftstoff in flüssiger Form bevorratet wird. Ferner umfasst das Kraftstoffsystem eine Kraftstoffpumpe 2, mittels welcher der Kraftstoff verdichtet und einem Hochdruckspeicher 3 zugeführt wird. Dieser ist über eine Ventilanordnung 6 mit einem Gas-Rail 4 verbindbar, an das mindestens ein Kraftstoffinjektor 5 angeschlossen ist.
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Die Ventilanordnung 6 dient der Gasdruckregelung im Gas-Rail 4. Hierzu weist die Ventilanordnung 6 neben einem ersten Ventil 6.1, über welches eine Verbindung des Hochdruckspeichers 3 mit dem Gas-Rail 4 herstellbar ist, ein zweites Ventil 6.2 auf, über welches das Gas-Rail 4 mit einer in den Tank 1 zurück führenden Gas-Rücklaufleitung 7 verbindbar ist. Bei geöffnetem zweiten Ventil 6.2 strömt somit verdichteter gasförmiger Kraftstoff aus dem Gas-Rail 4 in Richtung des Tanks 1 ab. Um durch die rückgeführte Gas-Rücklaufmenge eine unerwünschte Erwärmung des im Tank 1 bevorrateten Kraftstoffs zu verhindern, ist in der Gas-Rücklaufleitung 7 ein Zwischendruckspeicher 8 mit einem Wärmetauscher 9 zur Kühlung der Gas-Rücklaufmenge vorgesehen. Die Kühlung wird dabei über die mittels der Kraftstoffpumpe 2 geförderte Gas-Zulaufmenge bewirkt, die hierzu durch den Wärmetauscher 9 geführt wird. Durch ein stromabwärts des Zwischendruckspeichers 8 in der Gas-Rücklaufleitung 7 angeordnetes Druckhalteventil 10 wird darüber hinaus unter Ausnutzung des Joule-Thomson-Effekts eine Rückverflüssigung der Gas-Rücklaufmenge bewirkt, so dass dem Tank 1 nur gekühlter und zudem rückverflüssigter Kraftstoff zugeführt wird. Der Wärmeeintrag in den Tank 1 ist demnach gering, so dass der Tankdruck nicht über einen unzulässig hohen Wert steigt.
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Die Ventilanordnung 6 des in der 1 dargestellten erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems kann entsprechend den in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen gestaltet sein. Diese haben gemein, dass aufgrund der beiden Ventile 6.1, 6.2 die Gas-Rücklaufmenge getrennt von einer Gas-Leckagemenge in den Tank 1 rückführbar ist. Die Rückführung der Gas-Leckagemenge erfolgt demzufolge über eine separate Gas-Leckageleitung 11. Ferner haben die in den 2 bis 4 dargestellten Ventilanordnungen 6 gemein, dass jeweils Anschlüsse für eine Druckmittel-Zulaufleitung 23 und eine Druckmittel-Rücklaufleitung 18 vorhanden sind. Denn sowohl das erste Ventil 6.1, als auch das zweite Ventil 6.2 weisen jeweils einen Steuerkolben 12, 12' auf, der einen mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbaren Steuerraum 13, 13' begrenzt, so dass die Betätigung der Ventile 6.1, 6.2 hydraulisch erfolgt. Bei dem hydraulischen Druckmittel kann es sich beispielsweise um einen flüssigen Kraftstoff, insbesondere um Dieselkraftstoff handeln. Dieser kann dann ferner zur Steuerung des Kraftstoffinjektors 5 und/oder zur Zündung des gasförmigen Kraftstoffs verwendet werden. Wie beispielhaft in der 1 dargestellt, kann der Dieselkraftstoff in einen eigenen Tank 24 bevorratet und mittels eines Kraftstoffpumpe 25 verdichtet und einem Diesel-Rail 26 zugeführt werden, der über eine Kraftstoffleitung 27 mit dem mindestens einen Kraftstoffinjektor 5 verbunden ist. Somit bildet der Diesel-Kreis ein eigenes Kraftstoffsystem aus.
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ventilanordnung 6 werden nachfolgend anhand der 2 bis 4 näher beschrieben.
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Bei der Ventilanordnung 6 der 2 sind die beiden Ventile 6.1 und 6.2 derart angeordnet, dass die Steuerkolben 12, 12' koaxial ausgerichtet sind, wobei die Anordnung gespiegelt ist, so dass die Steuerräume 13, 13' nah beieinander liegen (siehe 2a). Die Beaufschlagung der beiden Steuerräume 13, 13' mit dem hydraulischen Druckmittel kann demnach über einen gemeinsamen Druckmittel-Zulaufkanal 14 bewirkt werden, wobei der Zulauf über eine im Druckmittel-Zulaufkanal 14 ausgebildete Zulaufdrossel 15 gedrosselt wird. Zur Entlastung der Steuerräume 13, 13' ist ein Druckregelventil 17 vorgesehen, über welches der Druckmittel-Zulaufkanal 14 mit der Druckmittel-Rücklaufleitung 18 verbindbar ist (siehe auch 2b). Hydraulisches Druckmittel, das im Wege der Leckage in einen Druckmittel-Leckageraum 21, 21' gelangt, wird ebenfalls über die Druckmittel-Rücklaufleitung 18 in den Druckmittel-Tank 24 zurückgeführt.
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Andernends liegt an den Steuerkolben 12, 12' der Gasdruck aus dem Gas-Rail 4 an, so dass im Wege der Leckage gasförmiger Kraftstoff in einen Gas-Leckageraum 20, 20' gelangt. Zur Medientrennung sind daher die Steuerkolben 12, 12' jeweils von einem Dichtelement 19, 19' umgeben, das vorliegend als Faltenbalg ausgeführt ist. Die Gas-Leckageräume 20, 20' weisen jeweils einen Anschluss 22, 22' an die Gas-Leckageleitung 11 auf, so dass an den Dichtelementen 19, 19' jeweils nur der Druck aus dem Gas-Tank 1 anliegt. Auf diese Weise wird die Belastung der Dichtelemente 19, 19' gesenkt.
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Der Steuerkolben 12 des ersten Ventils 6.1 betätigt ein stößelartiges Ventilelement 28, das mittels einer Feder 29 gegen einen Dichtsitz 30 vorgespannt ist. Demgegenüber bildet der Steuerkolben 12' des zweiten Ventils 6.2 selbst ein mit einem Dichtsitz 31 zusammenwirkendes Ventilelement 32 aus.
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Um einen hydraulischen Kurzschluss (beide Ventile 6.1, 6.2 gleichzeitig geöffnet) zu verhindern, ist der Steuerkolben 12 des ersten Ventils 6.1 mittels einer Druckfeder 33 vorgespannt. Dadurch wird eine Gegenkraft zur hydraulischen Stellkraft bewirkt, die sichergestellt, dass das erste Ventil 6.1 geschlossen ist bevor das zweite Ventil 6.2 öffnet.
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Dem gleichen Zweck dient eine weitere Zulaufdrossel 16, die - wie beispielhaft in der 3a dargestellt - im Druckmittel-Zulaufkanal 14 ausgebildet sein kann (siehe auch 3b). Im Übrigen gleicht die Ventilanordnung 6 der 3 der in der 2 dargestellten Ventilanordnung 6, so dass auf deren Beschreibung verwiesen werden kann.
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Der 4 ist eine weitere erfindungsgemäße Ventilanordnung 6 zu entnehmen, die sich von denen der 2 und 3 vorrangig dadurch unterscheidet, dass die Längsachsen A1 und A2 der Steuerkolben 12, 12' der beiden Ventile 6.1 und 6.2 parallel ausgerichtet sind (siehe 4a). Auch hier sind die Steuerräume 13, 13' durch den gemeinsamen Druckmittel-Zulaufkanal 14 verbunden, wobei eine erste Zulaufdrossel 15 den Zulauf in Richtung beider Steuerräume 13, 13' und eine zweite Zulaufdrossel 16 lediglich den Zulauf in Richtung des Steuerraums 13' des zweiten Ventils 6.2 drosselt (siehe auch 4b). Zudem ist der Steuerkolben 12 des ersten Ventils 6.2 durch die Druckfeder 33 vorgespannt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass es nicht zu einem hydraulischen Kurzschluss kommt.
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Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung und/oder eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems können jeweils jede für sich oder in Kombination umgesetzt werden.
