DE102018207652A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Druckregelung in einem Hochdruckspeicher eines Kraftstoffsystems - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Druckregelung in einem Hochdruckspeicher eines Kraftstoffsystems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckregelung in einem Hochdruckspeicher (3) eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, bei dem zum Druckaufbau im Hochdruckspeicher (3) ein erstes Ventil (1) geöffnet wird, über welches der Hochdruckspeicher (3) mit einem Pufferspeicher (4) verbindbar ist, und zum Druckabbau im Hochdruckspeicher (3) ein zweites Ventil (2) geöffnet wird, über welches der Hochdruckspeicher (3) mit einem Rücklauf (5) verbindbar ist. Erfindungsgemäß wird zur Steuerung des ersten Ventils (1) und des zweiten Ventils (2) der gasförmige Kraftstoff verwendet.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Druckregelung in einem Hochdruckspeicher eines Kraftstoffsystems.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckregelung in einem Hochdruckspeicher eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Druckreglung in einem Hochdruckspeicher eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3. Die Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
  • Stand der Technik
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2016 207 743 A1 ist eine Einrichtung zur Zumessung eines gasförmigen Brennstoffs zu einem Injektor einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine bekannt, die eine Druckregeleinheit zur Druckregelung in einem Hochdruckspeicher umfasst, über den der Injektor mit Brennstoff versorgbar ist. Die Druckregeleinheit weist ein erstes Ventil auf, über welches der Hochdruckspeicher mit einem Pufferspeicher verbindbar ist. Bei geöffnetem ersten Ventil wird dem Hochdruckspeicher gasförmiger Brennstoff aus dem Pufferspeicher zugeführt, so dass im Hochdruckspeicher Druck aufgebaut wird. Die Druckregeleinheit weist ein zweites Ventil auf, über welches der Hochdruckspeicher mit einem Rücklauf verbindbar ist. Bei geöffnetem zweiten Ventil wird gasförmiger Brennstoff aus dem Hochdruckspeicher in den Rücklauf abgeführt, so dass Druck abgebaut wird. Die beiden Ventile werden hydraulisch gesteuert, und zwar über den Steuerdruck in einem Steuerraum, der mittels eines dritten Ventils beeinflussbar ist. Um eine Durchmischung der Medien gasförmiger Brennstoff und Hydraulikmedium zu verhindern, ist mindestens eine Dichtung vorgesehen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckregelung in einem Hochdruckspeicher eines Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, anzugeben, welche den Regelbetrieb effizienter gestalten.
  • Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Druckregelung in einem Hochdruckspeicher eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas. Bei dem Verfahren wird zum Druckaufbau im Hochdruckspeicher ein erstes Ventil geöffnet, über welches der Hochdruckspeicher mit einem Pufferspeicher verbindbar ist. Zum Druckabbau wird ein zweites Ventil geöffnet, über welches der Hochdruckspeicher mit einem Rücklauf verbindbar ist. Erfindungsgemäß wird zur Steuerung des ersten Ventils und des zweiten Ventils der gasförmige Kraftstoff verwendet.
  • Dadurch, dass zur Steuerung der beiden Ventile jeweils der gasförmige Kraftstoff verwendet wird, ersetzt der gasförmige Kraftstoff ein Hydraulikmedium. Das heißt, dass auf die Anbindung eines Hydraulikmediums verzichtet werden kann, so dass sich der Leitungsaufwand verringert. Ferner kann auf ein Dichtelement zur Medientrennung verzichtet werden, da nur noch ein Medium, und zwar der gasförmige Kraftstoff, Verwendung findet.
  • Bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens kann zudem der im Pufferspeicher herrschende hohe Druck als Steuerdruck zur Steuerung der beiden Ventile genutzt werden. Es muss demnach nicht erst Druck aufgebaut werden, so dass die Effizienz des Systems steigt.
  • Bevorzugt ist daher dem ersten Ventil und dem zweiten Ventil jeweils ein Steuerraum zugeordnet, der an den Pufferspeicher angebunden ist. Zur Beeinflussung des im Steuerraum herrschenden Steuerdrucks ist wiederum jedem Steuerraum ein Vorsteuerventil zugeordnet, das mit Öffnen ein Absenken des Steuerdrucks bewirkt, so dass die Federkraft einer Feder das jeweilige Ventil zu öffnen vermag. Vorzugsweise werden die Vorsteuerventile elektrisch betätigt, da dies einfacher zu realisieren ist. Da die Anforderungen hinsichtlich der Hub-/Kraftkombination vergleichsweise gering sind, ist eine elektrische Betätigung der Vorsteuerventile möglich.
  • Vorteilhafterweise werden bei der Steuerung des ersten Ventils und des zweiten Ventils anfallende Steuermengen in den Hochdruckspeicher abgeführt. Auf diese Weise kann die Effizienz des Systems weiter gesteigert werden, denn die Steuermengen werden ebenfalls zum Druckaufbau im Hochdruckspeicher genutzt. Zugleich kann die Gas-Rücklaufmenge gering gehalten werden, die in den Gastank zurückgeführt werden muss.
  • Bei Verwendung von Erdgas als gasförmigem Kraftstoff besitzt eine geringe Gas-Rücklaufmenge zudem den Vorteil, dass eine unnötige Erwärmung des im Tank in flüssiger Form bevorrateten Kraftstoffs verhindert wird. Die Erwärmung könnte 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, so dass ein Teil des energetisch wertvollen Kraftstoffs verloren geht. Mit der Verringerung der Gas-Rücklaufmenge kann somit ebenfalls die Effizienz des Systems gesteigert werden.
  • Darüber hinaus wird eine Vorrichtung zur Druckregelung in einem Hochdruckspeicher eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, vorgeschlagen, die ein erstes Ventil zur Verbindung des Hochdruckspeichers mit einem Pufferspeicher und ein zweites Ventil zur Verbindung des Hochdruckspeichers mit einem Rücklauf umfasst. Erfindungsgemäß ist dem ersten Ventil und dem zweiten Ventil jeweils ein Vorsteuerventil zugeordnet, über welches jeweils eine Verbindung eines Steuerraums mit dem Pufferspeicher und/oder dem Hochdruckspeicher herstellbar ist, so dass das erste Ventil und das zweite Ventil mittels des gasförmigen Kraftstoffs steuerbar sind. Der gasförmige Kraftstoff ersetzt somit ein Hydraulikmedium, so dass die zur Anbindung an ein Hydraulikmedium erforderlichen Leitungen entfallen. Ferner kann auf ein Dichtelement zur Medientrennung verzichtet werden.
  • Die vorgeschlagene Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist bzw. sind das erste Vorsteuerventil und/oder das zweite Vorsteuerventil als 3/2-Wegeventil ausgeführt. In der Ausführung als 3/2-Wegeventil ermöglicht das jeweilige Vorsteuerventil in einer ersten Schaltstellung eine Verbindung des Steuerraums mit dem Pufferspeicher, um den Steuerdruck anzuheben, und in einer zweiten Schaltstellung eine Verbindung des Steuerraums mit dem Hochdruckspeicher, um den Steuerdruck zu senken und die Steuermenge in den Hochdruckspeicher abzuführen. Vorzugsweise sind beide Vorsteuerventile als 3/2-Wegeventile ausgeführt, zumindest jedoch das dem zweiten Ventil zugeordnete Vorsteuerventil.
  • Denn das dem ersten Ventil zugeordnete bzw. erste Vorsteuerventil kann auch als 2/2-Wegeventil ausgeführt sein, wobei in Offenstellung des Vorsteuerventils eine Verbindung des Steuerraums mit dem Hochdruckspeicher hergestellt ist. Das heißt, dass über das erste Vorsteuerventil lediglich Steuermengen aus dem Steuerraum abgeführt und dem Hochdruckspeicher zugeführt werden. Eine Verbindung des Steuerraums mit dem Pufferspeicher, um den Steuerdruck im Steuerraum anzuheben, ist nicht herstellbar.
  • In diesem Fall ist vorzugsweise der Pufferspeicher über eine Zulaufdrossel mit dem Steuerraum des ersten Ventils verbunden. Der über die Zulaufdrossel in den Steuerraum strömende gasförmige Kraftstoff bewirkt bei geschlossenem Vorsteuerventil einen Druckaufbau, der zum Schließen des ersten Ventils führt. Zum Öffnen des ersten Ventils muss lediglich das zugeordnete erste Vorsteuerventil geöffnet werden, so dass gasförmiger Kraftstoff aus dem Steuerraum in den Hochdruckspeicher abströmt. Da über die Zulaufdrossel nicht so schnell gasförmiger Kraftstoff in den Steuerraum nachzuströmen vermag wie abströmt, sinkt der Steuerdruck.
  • Vorteilhafterweise sind das erste Vorsteuerventil und das zweite Vorsteuerventil elektrisch betätigbar. Aufgrund der reduzierten Anforderungen hinsichtlich der Hub-/Kraftkombinationen ist dies möglich. Die Umsetzung der Vorrichtung kann auf diese Weise vereinfacht werden.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckregelung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
    • 2 eine schematische Darstellung eines ersten Vorsteuerventils für eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der 1,
    • 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Vorsteuerventils für eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der 1 und
    • 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckregelung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Der Darstellung der 1 ist eine Vorrichtung zur Druckregelung in einem Hochdruckspeicher 3 für einen gasförmigen Kraftstoff zu entnehmen, die ein erstes Ventil 1 und ein zweites Ventil 2 umfasst. Über das erste Ventil 1 ist der Hochdruckspeicher 3 mit einem Pufferspeicher 4 verbindbar, in dem der gasförmige Kraftstoff, nachdem er mit Hochdruck beaufschlagt wurde, zwischengespeichert wird. Im Pufferspeicher 4 herrscht somit Hochdruck. Ist eine Verbindung des Hochdruckspeichers 3 mit dem Pufferspeicher 4 hergestellt, strömt gasförmiger Kraftstoff aus dem Pufferspeicher 4 in den Hochdruckspeicher 3, so dass im Hochdruckspeicher 3 Druck aufgebaut wird. Über das zweite Ventil 2 ist eine Verbindung des Hochdruckspeichers 3 mit einem Rücklauf 5 herstellbar, so dass bei geöffnetem zweiten Ventil 2 gasförmiger Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 3 in den Rücklauf 5 abströmt und Druck abgebaut wird.
  • Das erste Ventil 1 weist vorliegend einen mit einem Ventilsitz 13 zusammenwirkenden, hin- und herbeweglichen Ventilkolben 14 auf, der in Öffnungsrichtung von der Federkraft einer Feder 11 beaufschlagt ist. Ferner liegt am Ventilkolben 14 der im Hochdruckspeicher 3 herrschende Druck an, da die Feder 11 in einem Federraum 15 aufgenommen ist, der mit dem Hochdruckspeicher 3 verbunden ist. Andernends begrenzt der Ventilkolben 14 einen Steuerraum 7, der über ein Vorsteuerventil 6 mit dem Pufferspeicher 4 verbindbar ist. Der Steuerraum 7 ist somit mit dem gasförmigen Kraftstoff aus dem Pufferspeicher 4 beaufschlagbar. Ist eine Verbindung des Steuerraums 7 mit dem Pufferspeicher 4 hergestellt, wirkt auf den Ventilkolben 14 eine Kraftresultierende, die das erste Ventil 1 geschlossen hält. Zum Öffnen wird das Vorsteuerventil 6, das vorliegend als 3/2-Wegeventil ausgeführt ist, in eine zweite Schaltstellung überführt, in der eine Verbindung des Steuerraums 7 mit dem Hochdruckspeicher 3 hergestellt ist. Dies hat zur Folge, dass gasförmiger Kraftstoff aus dem Steuerraum 7 in den Hochdruckspeicher 3 abströmt und der Druck im Steuerraum 7 so weit absinkt, dass auf den Ventilkolben 14 eine Kraftresultierende wirkt, die zum Öffnen des ersten Ventils 1 führt.
  • In der 2 ist beispielhaft ein als 3/2-Wegeventil ausgeführtes Vorsteuerventil 6 dargestellt, das einerseits eine Verbindung des Steuerraums 7 mit dem Pufferspeicher 4, andererseits eine Verbindung des Steuerraums 7 mit dem Hochdruckspeicher 3 ermöglicht. Die Ansteuerung des Vorsteuerventils 6 erfolgt vorzugsweise elektrisch.
  • Das in der 1 dargestellte zweite Ventil 2, das der Verbindung des Hochdruckspeichers 3 mit dem Rücklauf 5 dient, weist ebenfalls einen mit einem Ventilsitz 16 zusammenwirkenden hin- und herbeweglichen Ventilkolben 17 auf, der in Öffnungsrichtung von der Federkraft einer Feder 12 beaufschlagt ist. Die Feder 12 ist wiederum in einem Federraum 18 aufgenommen, der an den Hochdruckspeicher 3 angebunden ist. Andernends begrenzt der Ventilkolben 17 einen Steuerraum 9, der in einer ersten Schaltstellung eines als 3/2-Wegeventils ausgeführten Vorsteuerventils 8 mit dem Hochdruckspeicher 3 und in einer zweiten Schaltstellung mit dem Pufferspeicher 4 verbindbar ist. Eine mögliche Ausführungsform des Vorsteuerventils 8 ist beispielhaft in der 3 dargestellt. Wird über das Vorsteuerventil 8 eine Verbindung des Steuerraums 9 mit dem Hochdruckspeicher 3 hergestellt, befindet sich das zweite Ventil 2 in einem nahezu druckausgeglichenen Zustand. Die zum Öffnen erforderliche Kraft kann dann über die Feder 12 erzielt werden.
  • Bevor der Hochdruckspeicher 3 durch das erste Ventil 1 erneut befüllt werden kann, muss das zweite Ventil 2 geschlossen werden. Hierzu wird der Steuerraum 9 des zweiten Ventils 2 über das Vorsteuerventil 8 mit dem Pufferspeicher 4 verbunden, so dass der Steuerraum 9 mit dem höheren Druck aus dem Pufferspeicher 4 beaufschlagt wird.
  • Der 4 ist eine Abwandlung der Vorrichtung der 1 zu entnehmen. Das dem ersten Ventil 1 zugeordnete Vorsteuerventil 6 ist hier als 2/2-Wegeventil ausgeführt, das lediglich eine Verbindung des Steuerraums 7 mit dem Hochdruckspeicher 3 ermöglicht. Zur Druckbeaufschlagung des Steuerraums 7 ist eine Zulaufdrossel 10 vorgesehen, die den Steuerraum 7 mit dem Pufferspeicher 4 verbindet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016207743 A1 [0002]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Druckregelung in einem Hochdruckspeicher (3) eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, bei dem zum Druckaufbau im Hochdruckspeicher (3) ein erstes Ventil (1) geöffnet wird, über welches der Hochdruckspeicher (3) mit einem Pufferspeicher (4) verbindbar ist, und zum Druckabbau im Hochdruckspeicher (3) ein zweites Ventil (2) geöffnet wird, über welches der Hochdruckspeicher (3) mit einem Rücklauf (5) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des ersten Ventils (1) und des zweiten Ventils (2) der gasförmige Kraftstoff verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Steuerung des ersten Ventils (1) und des zweiten Ventils (2) anfallende Steuermengen in den Hochdruckspeicher (3) abgeführt werden.
  3. Vorrichtung zur Druckregelung in einem Hochdruckspeicher (3) eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, umfassend ein erstes Ventil (1) zur Verbindung des Hochdruckspeichers (3) mit einem Pufferspeicher (4) und ein zweites Ventil (2) zur Verbindung des Hochdruckspeichers (3) mit einem Rücklauf (5), dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Ventil (1) und dem zweiten Ventil (2) jeweils ein Vorsteuerventil (6, 8) zugeordnet ist, über welches jeweils eine Verbindung eines Steuerraums (7, 9) mit dem Pufferspeicher (4) und/oder dem Hochdruckspeicher (3) herstellbar ist, so dass das erste Ventil (1) und das zweite Ventil (2) mittels des gasförmigen Kraftstoffs steuerbar sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Vorsteuerventil (6) und/oder das zweite Vorsteuerventil (8) als 3/2-Wegeventil ausgeführt ist bzw. sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Vorsteuerventil (6) als 2/2-Wegeventil ausgeführt ist, wobei in Offenstellung des Vorsteuerventils (6) eine Verbindung des Steuerraums (7) mit dem Hochdruckspeicher (3) hergestellt ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferspeicher (4) über eine Zulaufdrossel (10) mit dem Steuerraum (7) des ersten Ventils (1) verbunden ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Vorsteuerventil (6) und das zweite Vorsteuerventil (8) elektrisch betätigbar sind.
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