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Die Erfindung betrifft einen Gasdruckregler zum Regeln eines Gasdrucks, wie er beispielsweise Verwendung findet, um bei Brennkraftmaschinen die Zuführung von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum den notwendigen Gasdruck in einem Toleranzbereich zu regeln.
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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einem Gasdruckregler zum Regeln eines Gasdrucks aus, wie er beispielsweise aus der Patentanmeldung
DE 10 2017 221 329 A1 bekannt ist. Der Gasdruckregler ist Teil eines Systems zur Zuführung von Kraftstoffen in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei ein flüssiger und ein gasförmiger Kraftstoff eindosiert wird. Beide, sowohl der flüssige als auch der gasförmige Kraftstoff, werden einem Injektor zugeführt, der diese in der gewünschten Menge und zum gewünschten Zeitpunkt in den Brennraum eindosieren kann. Dabei ist es wichtig, dass der Druck des flüssigen und des gasförmigen Kraftstoffs aufeinander abgestimmt sind. Insbesondere sollte der Druck des gasförmigen Kraftstoffs immer etwas unterhalb des Drucks im flüssigen Kraftstoff liegen, damit kein gasförmiger Kraftstoff in die Teile des Injektors bzw. des Kraftstoffzufuhrsystems gelangt, in dem der flüssige Kraftstoff vorliegt. Dazu ist aus der
DE 10 2017 221 329 A1 ein Gasdruckregler bekannt, bei dem der Druck des flüssigen Kraftstoffs auf eine Seite eines Steuerkolbens wirkt und der Druck das gasförmigen Kraftstoffs auf dessen andere Seite. Dadurch wird der Steuerkolben in seiner Längsrichtung bewegt und öffnet dabei entsprechend Ein- und Auslassventile, so dass eine feste Druckdifferenz zwischen dem flüssigen und dem gasförmigen Kraftstoff eingestellt wird.
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Für ein reibungsloses Funktionieren des Gasdruckreglers ist es unerlässlich, dass die Toleranzketten bei der Fertigung genau eingehalten werden. Insbesondere müssen die Ventilsitze genau zueinander fluchten, um eine zuverlässige Abdichtung sowohl des gasförmigen als auch des flüssigen Kraftstoffs zu erreichen. Dies bedingt sehr präzise Führungen des Steuerkolbens und anderer beweglicher Teile innerhalb des Gasdruckreglers, was diesen relativ aufwendig in der Fertigung macht.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasdruckregler weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der Fertigungs- und Montageaufwand reduziert ist und so in einfacher Weise ein zuverlässiger Gasdruckregler konstruiert werden kann. Dazu weist der Gasdruckregler zum Regeln eines Gasdrucks ein Gehäuse auf, in dem eine Ausnehmung ausgebildet ist, die mit einem Gas befüllbar ist und in der ein längsbeweglich gelagerter Steuerkolben angeordnet ist. Der Steuerkolben begrenzt mit einer Stirnfläche einen mit einem flüssigen Kraftstoff befüllbaren Druckraum, der einen Teilraum der Ausnehmung bildet, so dass durch den hydraulischen Druck im Druckraum eine in Längsrichtung wirkende Kraft auf den Steuerkolben wirkt. Dabei ist im Steuerkolben ein Hohlraum mit einem darin beweglich gelagerten Schließelement ausgebildet, welches mit einem Dichtsitz zum Öffnen und Schließen eines Ablaufkanals für einen Gasraum zusammenwirkt, wobei der Gasraum einen zweiten Teil der Ausnehmung bildet. Das Schließelement ist kugelförmig ausgebildet und kann damit Toleranzen ausgleichen, die sich durch eine nicht genau fluchtende Anordnung von Komponenten des Gasdruckreglers ergeben. Dadurch ist eine zuverlässige Funktion des Gasdruckreglers gegeben, ohne dass der Fertigungsaufwand über Gebühr steigt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb des Steuerkolbens ein Mitnehmerelement angeordnet, durch das das Schließelement bei einer Bewegung des Steuerkolbens in den Druckraum mitbewegt wird. Durch diesen Mitnehmer, der so konstruiert werden kann, dass er dem kugelförmigen Schließelement die notwendige Beweglichkeit quer zur Bewegungsrichtung lässt, kann in einfacher Art und Weise das Ablassventil geöffnet werden, abhängig vom Druck im Druckraum und Gasraum.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Hohlraum als einseitig offene Bohrung ausgeführt, in die ein Ablaufstutzen mit einem darin ausgebildeten Gasablaufkanal ragt, wobei am Ablaufstutzen ein Dichtsitz ausgebildet ist, mit dem das Schließelement 18 zusammenwirkt. Dabei kann das Schließelement in vorteilhafter Weise in einer Buchse angeordnet sein, wobei das Mitnehmerelement an der Buchse ausgebildet ist. Durch diese Anordnung der Komponenten lässt sich in einfacher Weise ein entsprechendes Ablassventil für den gasförmigen Kraftstoff konstruieren, das abhängig von der Längsbewegung des Steuerkolbens öffnet und schließt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Buchse eine Feder unter Vorspannung angeordnet, die das Schließelement gegen das Mitnehmerelement vorspannt. Durch diese Feder ist eine Abdichtung am Dichtsitz gewährleistet, wenn das Schließelement in Anlage am Dichtsitz ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schließelement von einem Faltenbalg umgeben, der den Gasraum gegen den mit flüssigem Kraftstoff befüllbaren Druckraum abdichtet. Der Faltenbalg stellt so eine Abdichtung des Gasraums gegen den flüssigen Kraftstoff sicher, so dass sich beide Kraftstoffe nicht innerhalb des Gasdruckreglers vermischen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wirkt der Steuerkolben durch seine Längsbewegung mit einem Einlassventilelement eines Einlassventils zusammen, über das Gas in den Gasraum einströmen kann. Je nach Position des Steuerkolbens wird so das Einlassventil geöffnet oder geschlossen, um Gas in den Gasraum einströmen zu lassen, wenn der Druck dort zu niedrig ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Gasraum mit einem Auslass zum Ausleiten des Gases verbunden. Das Gas, das anschließend einem Gasventil oder Gasinjektor zugeführt werden kann, kann so dem Gasdruckregler mit dem gewünschten Druck entnommen und der Brennkraftmaschine zugeführt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die zweite Stirnfläche des Steuerkolbens vom Druck im Gasraum beaufschlagt, so dass durch den pneumatischen Druck des Gases im Gasraum eine Kraft auf den Steuerkolben wirkt, die der Kraft durch den Druck im Druckraum entgegen gerichtet ist. Je nach dem Druckverhältnis zwischen dem Gasraum und Druckraum wirkt so eine resultierende Kraft in Längsrichtung auf den Steuerkolben entweder in die eine oder die andere Längsrichtung, so dass der Steuerkolben abhängig von der Druckdifferenz bewegt wird. In vorteilhafter Weise ist dabei der Druck im Druckraum über ein Ablassventil steuerbar, so dass der Druck im Druckraum nicht über einen gewissen Druck ansteigen kann.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Gasdruckregler im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Komponenten gezeigt sind. Es zeigt:
- 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Gasdruckregler,
- 2 denselben Gasdruckregler in einer um 90° gedrehten Ansicht ebenfalls in Längsschnitt und
- 3 eine vergrößerte Darstellung des Gasdruckreglers im Bereich des Steuerkolbens.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Gasdruckregler im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Funktionselemente dargestellt sind. Der Gasdruckregler weist ein Gehäuse 1 auf, in dem eine Ausnehmung 2 ausgebildet ist. In der Ausnehmung 2 ist ein Steuerkolben 8 längsbeweglich angeordnet, der durch einen darin ausgebildeten Hohlraum 9 im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders aufweist, wobei dieser Hohlzylinder auf der in der Zeichnung linken Seite geschlossen ist und dort eine erste Stirnfläche 11 ausbildet. Der Steuerkolben 8 begrenzt mit seiner ersten Stirnfläche 11 einen Druckraum 4, der einen Teil der Ausnehmung 2 bildet, wobei der Druckraum 4 über einen Zulaufkanal 12 mit flüssigem Kraftstoff befüllbar ist. Der Druckraum 4 ist vom übrigen Teil der Ausnehmung 2 durch einen Faltenbalg 6 getrennt, wobei der Faltenbalg 6 den Steuerkolben 8 auf einem Teil seiner Länge umgibt. Der Faltenbalg 6 ist dabei einerseits mit dem Gehäuse 1 durch eine Schweißverbindung 26 verbunden und andererseits durch eine zweite Schweißverbindung 27 in dem Steuerkolben 8, so dass der flüssige Kraftstoff innerhalb des Faltenbalgs 6 gehalten wird. Der Gasraum 5, der den anderen Teil der Ausnehmung 2 bildet, umgibt den Faltenbalg 6 an seiner Außenseite und das dort befindliche Gas umströmt auch den Rest des Steuerkolbens 8. In 2 ist dazu eine Vergrößerung der 1 im Bereich des Steuerkolbens 8 dargestellt, wobei der Gasdruckregler in 2 gegenüber der 1 um 90° gedreht ist.
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In dem Hohlraum 9 des Steuerkolbens 8 ist eine Buchse 19 angeordnet, die unter Zwischenlage einer Einstellscheibe 22 in Anlage an einer Ringfläche innerhalb des Steuerkolbens 8 angeordnet ist. In der Buchse 19 ist ein kugelförmiges Schließelement 18 angeordnet, das teilweise in einer Kalotte 28 aufgenommen ist. Die Kalotte 28 ist innerhalb der Buchse 19 längsbeweglich und wird durch eine Feder 20 in Richtung des Schließelements 18 vorgespannt. Die Buchse 18 weist an ihrem der Feder 20 abgewandten Ende ein Mitnehmerelement 21 in Form eines an der Innenseite der Buchse 18 umlaufenden Vorsprungs auf, wie in 3 nochmals vergrößert dargestellt. Das Schließelement 18 weist dabei einen solchen Durchmesser auf, dass es durch das Mitnehmerelement 21 mitgenommen wird, wenn sich der Steuerkolben 8 und damit auch die Buchse 28 in Längsrichtung bewegen.
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In den Hohlraum 9 des Steuerkolbens 8 ragt ein Ablaufstutzen 23, in dem ein Gasablaufkanal 24 in Form einer Längsbohrung ausgebildet ist. Der Ablaufstutzen 23 weist an seiner dem Schließelement 18 zugewandten Seite einen Dichtsitz 29 auf, an den das Schließelement 18 zur Anlage kommt. Befindet sich das Schließelement 18 in Anlage am Dichtsitz 29, so verschließt es den Ablaufkanal 24 innerhalb des Ablaufstutzens 23. Der Gasablaufkanal 24 ist über einen Querkanal 124 mit einem Rücklaufkanal 25 verbunden, der im Gehäuse 1 ausgebildet ist. 2 zeigt dazu die Querbohrung 124, die mit dem Gasablaufkanal 24 verbunden ist, wobei die Verbindung mit dem als parallel zum Steuerkolben 8 verlaufenden Rücklaufkanal 25 in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
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Der Steuerkolben 8 liegt mit seiner der ersten Stirnfläche 11 abgewandten zweiten Stirnfläche 15 an einem Druckstück 38 an, das innerhalb des Gehäuses 1 ebenfalls längsbeweglich ist. Über das Druckstück 38 wirkt der Steuerkolben 8 auf ein Einlassventilelement 31, das längsbeweglich innerhalb eines Ventilstücks 39 aufgenommen ist und an dem eine Dichtfläche 33 ausgebildet ist. Das Einlassventilelement 31 wirkt über seine Dichtfläche 33 mit einem Ventilsitz 34 zusammen, der am Ventilstück 39 ausgebildet ist, wobei das Einlassventilelement 31 durch eine Schließfeder 32 in Richtung des Ventilsitzes 34 vorgespannt ist. Hebt das Einlassventilelement 31 mit seiner Dichtfläche 32 vom Ventilsitz 34 ab durch eine entsprechende Längsbewegung entgegen der Kraft der Schließfeder 32, so kann Gas aus einem Einströmkanal 35 in den Druckregler einströmen und gelangt von dort über einen Auslasskanal 36 zum Kraftstoffeindosiersystem, insbesondere zu einem Injektor. Befindet sich das Einlassventilelement 31 mit seiner Dichtfläche 33 in Anlage am Ventilsitz 34, so verschließt es den Einströmkanal 35.
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Der erfindungsgemäße Gasdruckregler funktioniert wie folgt: Das Kraftstoffeinspritzsystem stellt einen Druck eines flüssigen Kraftstoffs zur Verfügung, der über einen Zulaufkanal 12 in den Druckraum 4 eingeführt wird. Übersteigt der Druck im Druckraum 4 einen gewünschten oberen Druck, so kann über ein Ablassventil 14 der flüssige Kraftstoff abgeführt und wieder dem Tank mit flüssigem Kraftstoff zugeführt werden. Durch den Druck im Druckraum 4 ergibt sich eine hydraulische Kraft auf die erste Stirnfläche des Steuerkolbens 8 und drückt diesen vom Druckraum 4 weg. Hierbei wird diese hydraulische Kraft auf die erste Stirnfläche 11 zusätzlich von der Vorspannkraft des Faltenbalgs 6 unterstützt, so dass der Steuerkolben 8 sowohl mit der hydraulischen Kraft auf die erste Stirnfläche 11 als auch mit der elastischen Kraft des Faltenbalgs 6 in der Zeichnung der 1 nach rechts, das heißt in Richtung auf das Einlassventil 30, mit einer Kraft beaufschlagt wird. Dieser Kraft entgegengesetzt ist die pneumatische Kraft auf die zweite Stirnfläche 15 bzw. auf das Druckstück 38, so dass diese Kräfte einander entgegen gerichtet sind. Übersteigt die hydraulische Kraft auf die erste Stirnfläche 11 und die elastische Kraft durch den Faltenbalg 6 die pneumatische Kraft auf die zweite Stirnfläche 15, so bewegt sich der Steuerkolben 8 in der Zeichnung der 1 nach rechts und drückt auf das Einlassventilelement 31. Durch dessen Längsbewegung entgegen der Kraft der Schließfeder 32 öffnet sich das Einlassventil 30. Gas strömt darauf hin aus dem Einströmkanal 35 in den Gasdruckregler und gelangt über den Auslasskanal 36, der im Gehäuse 1 ausgebildet ist, zum Injektor oder in andere Bereiche des Kraftstoffsystems, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
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Übersteigt der Gasdruck im Gasdruckregler einen Grenzdruck, das heißt, wird er höher als der hydraulische Druck des flüssigen Kraftstoffs im Druckraum 4 erhöht um die Kraft des Faltenbalgs 6, so bewegt sich der Steuerkolben 8 in der Zeichnung der 1 bzw. 2 nach links in den Druckraum 4 hinein. Dadurch schließt sich zum einen das Einlassventil 30, da nunmehr das Einlassventilelement 31 am Ventilsitz 34 zur Anlage kommt und damit den Einströmkanal 35 verschließt. Zum anderen erfasst der Steuerkolben 8 durch seine weitere Längsbewegung über die Buchse 19 und das Mitnehmerelement 21 das Schließelement 18 und zieht dieses vom Dichtsitz 29 am Ablaufstutzen 23 weg. Dadurch wird der Gasablaufkanal 24 geöffnet und Gas strömt aus dem Hohlraum 9 über den Gasablaufkanal 24, die Querbohrung 124 und den Rücklaufkanal 25 zurück in den Gastank und vermindert so den Druck innerhalb des Gasdruckreglers, also im Gasraum 5. Der Hohlraum 9 innerhalb des Steuerkolbens 8 ist dabei über Spalte mit dem Gasraum 5 verbunden, so dass der Gasraum 5 über den Gasablaufkanal 24 entlastet wird. Sobald der Druck im Gasraum 5 einen gewissen Druck unterschreitet und damit auch die Kraft auf die zweite Stirnfläche 15 des Steuerkolbens 8, bewegt sich dieser erneut in Längsrichtung aus dem Druckraum 4 hinaus und verschließt erneut den Gasrücklaufkanal 24 über das Schließelement 8. Durch die Größe der Stirnflächen 11 bzw. 15 und durch die Kraft des Faltenbalgs und der Schließfeder 32 lässt sich auf diese Weise eine Druckdifferenz zwischen dem Druckraum 4 und dem Gasraum 5 einstellen. Der Gasdruckregler regelt damit automatisch auf diese Druckdifferenz von beispielsweise 20 bar zwischen dem Druckraum 4 und dem Gasraum 5.
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Der Innendurchmesser der Buchse 19 ist etwas größer als der Durchmesser des kugelförmigen Schließelements 18, so dass dieses quer zu seiner Bewegungsrichtung, also quer zur Längsachse des Steuerkolbens 8, beweglich innerhalb der Buchse 19 angeordnet ist. Dadurch ist das Schließelement 18 selbstzentrierend auf den im Wesentlichen konischen Dichtsitz 29, so dass eine sichere Abdichtung des Gasablaufkanals 24 auch dann gewährleistet ist, wenn der Steuerkolben 8 nicht genau fluchtend zum Ablaufstutzen 23 ausgerichtet ist. Die dafür notwendigen Toleranzen der Bauteile lassen sich einfach einhalten und der Gasdruckregler kann damit in einfacher Art und Weise und damit kostengünstig hergestellt werden.
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In 3 ist der Steuerkolben 8 nochmals vergrößert dargestellt, insbesondere im Bereich der Buchse 19. Da die Buchse 19 über eine Einstellscheibe 22 an einem Absatz innerhalb des Steuerkolbens 8 anliegt, kann über die Dicke der Einstellscheibe 22 die Position bestimmt werden, bis zu der das Schließelement 18 über den Mitnehmer 21 von seinem Dichtsitz 29 weggedrückt wird. Da die Lage des Steuerkolbens 8 von den Drücken sowohl im Druckraum 4 als auch im Gasraum 5 abhängt, kann so über die Dicke der Einstellscheibe 22 die Druckdifferenz zwischen dem Druckraum 4 und dem Gasraum 5, der durch den Gasdruckregler eingestellt wird, beeinflusst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017221329 A1 [0002]
