-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Direkteinspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs, insbesondere Wasserstoff.
-
Zum Schutz der Umwelt gibt es verstärkt Bestrebungen, alternative Kraftstoffstrategien zu entwickeln, die den Schwerpunkt auf eine Reduktion der CO2-Emission legen. In den Fokus ist dabei insbesondere eine Weiterentwicklung des bisherigen Verbrennungsmotors gerückt, bei dem beispielsweise der verwendete Dieselkraftstoff durch „grüne“ Kraftstoffe, beispielsweise H2 in der Gasphase, ersetzt wird. Für eine schnelle Verbreitung und eine rasche Akzeptanz ist es dabei erforderlich, dass diese neuen Motoren im Vergleich zu der herkömmlichen Motorengeneration (beispielsweise Dieselmotoren) gleiche oder bessere Leistungen erbringen, sowohl im stationären als auch im transienten/dynamischen Betrieb.
-
Herkömmliche Verbrennungsmotoren wurden in den letzten Jahren hauptsächlich von flüssigen Kraftstoffen aus Benzin und Diesel dominiert. Viele Versuche wurden im Bereich der Verbrennungsmotoren durch gasförmige Brennstoffe wie Erdgas (CNG) oder Flüssiggas (LPG) einschließlich deren zugehörige Einspritzsysteme entworfen. In diesen Fällen wird jedoch bei der Serienfertigung von Verbrennungsmotoren ein indirektes Mehrpunkteinspritzsystem (MPI) verwendet, bei dem das Gas mit niedrigem Druck, typischerweise < 10 bar, in den Ansaugkrümmer des Motors eingespritzt wird. Bei einer solchen Technologie ist der Einspritzdruck nahezu konstant und erfordert keine schnellen Druckveränderungen.
-
Neue Forschungen an Verbrennungsmotoren, die mit gasförmigen Kraftstoffen (CNG oder H2) gespeist werden, mit dem Ziel, die Motorleistung zu optimieren, zeigen jedoch, dass die Direkteinspritztechnik (also das direkte Zuführen des gasförmig vorliegenden Kraftstoffs in die Brennkammer eines Motorzylinders) aus Leistungs- und Effizienzgründen alternativlos erscheint. Um eine präzise Dosierung der gewünschten Kraftstoffmenge zu ermöglichen, benötigt das Einspritzsystem hochdynamische Druckregelungsfähigkeiten, die bei der MPI-Technologie nicht erforderlich waren, da dort der gasförmige Kraftstoff bei gleichbleibendem Druck von etwa 10 bar oder weniger kontinuierlich zu den Einspritzdüsen geführt wird.
-
Die vorliegende Erfindung schlägt eine effektive Lösung vor, um eine verbesserte Druckdynamik und -regelung durch ein neuartiges Konzept der Systemauslegung zu ermöglichen.
-
Eine wesentliche Anforderung bei der Entwicklung eines Einspritzsystems ist das Design von Motor und der restlichen Komponenten, sowie der sehr begrenzte Platz für die Anordnung des Systems. Daher muss ein Kompromiss zwischen Leistung und Größe gefunden werden, um die Gesamtleistungsfähigkeit einer mit dem Einspritzsystem versehenen Maschine bzw. eines Fahrzeugs zu optimieren.
-
1 zeigt dabei eine aus dem Stand der Technik bekannte Umsetzung, bei der ein gasförmiger Kraftstoff über einen Injektor in einen Brennraum (nicht dargestellt) eingeblasen wird. Wie später im Abschnitt der der Figurenbeschreibung ausführlicher beschrieben wird, erkennt man, dass der Druck-Sollwert von dem Druck-Istwert in dem Rail signifikant abweicht, sodass ein Einspritzen des gasförmigen Kraftstoffs über die Injektoren nicht immer das gewünschte Leistungsergebnis mit sich bringt. Dies liegt -wie die Erfindung erkannt hat- unter anderem daran, dass das zwischen einem Gasspeicher und dem Rail angeordnete elektrische Druckregelventil ein großes, stromabwärtig gelegenes Steuervolumen besitzt, bei dem dynamische Druckänderungen nur langsam umsetzbar sind. Dieses lässt sich auch nicht verkleinern, da das Druckregelventil in der Nähe des Gasspeichers anzuordnen ist, um die dort herrschenden sehr hohen Drücke (ca. 350 bar) und die damit einhergehende aufwändige Verrohrung möglichst klein zu halten.
-
Da es sich bei der direkten Gaseinspritzung um eine Technologie handelt, die zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht in der Serienproduktion eingesetzt wird, sind derzeit keine Lösungen auf dem Markt bekannt, die sowohl die Anforderungen an die Dynamik der Druckregelung als auch an den Durchfluss erfüllen (Low-Duty- und Heavy-Duty-Maschinen benötigen einen schnell änderbaren, sehr verlässlichen und exakt steuerbaren H2-Durchfluss).
-
Die heute bekannten Entwicklungen entsprechen in ihrem grundlegenden Design der aktuellen Niederdruckregelung, die bei MPI-Motoren eingesetzt wird, und verwenden eine einzige Druckregeleinheit (bspw. elektrische PRV-Komponente), die die gesamte Funktionalität integriert: Tankdruckstabilisierung und dynamische Regelung auf den Sollwert.
-
Diese Komponente wird normalerweise am Auslass des Tanks oder am Maschinenchassis installiert, um Vibrationen, thermische und mechanische Belastungen zu vermeiden, die für eine im Motorraum montierte Lösung typisch sind. Die Hauptnachteile und Einschränkungen einer solchen Lösung sind die große Bauteilgröße mit daraus resultierender Beschränkung der Anordnungsdichte und der Layout-Flexibilität und ein erhöhtes Bauteilgewicht. Darüber hinaus ergibt sich durch die Anordnung außerhalb des Motorraums ein großes Regelvolumen hinter dem Regler und eine damit hohe Reaktionsträgheit, welche durch das Innenvolumen des Systems und der langen Leitungen zwischen Regler und Injektor nicht reduzierbar ist.
-
Da die Verwendung von Wasserstoff in Gasform als Kraftstoff für die Direkteinspritzung in Bezug auf das transiente und dynamische Verhalten sehr anspruchsvoll ist, ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung die oben aufgeführten Nachteile abzumildern oder zu überwinden. Dabei soll insbesondere eine schnelle und genaue Druckregelung unabhängig von der Anordnungsposition des Tanks in dem Fahrzeug sowie der Maschinen- bzw. Fahrzeuggröße gewährleistet werden.
-
Dies gelingt mit einer Vorrichtung, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung finden sich dabei in den abhängigen Ansprüchen.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Direkteinspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs, insbesondere Wasserstoff, umfasst dabei eine Druckregeleinheit, die dazu ausgelegt ist, ein zugeführtes variables Druckniveau des gasförmigen Kraftstoffs auf ein stationäres, konstantes Ausgabedruckniveau zu wandeln, eine Verteilereinheit, die mit mindestens einem Injektor zum direkten Einspritzen des durch die Druckregeleinheit geführten gasförmigen Kraftstoffs in eine Brennkammer verbunden ist, und eine Fluidverbindung zwischen der Druckregeleinheit und der Verteilereinheit, um den gasförmigen Kraftstoff mit konstantem Ausgabedruck stromabwärts in Richtung der Verteilereinheit zu führen. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Fluidverbindung ein Strömungsregelventil angeordnet ist, das dazu ausgelegt ist, das konstante Ausgabedruckniveau des gasförmigen Kraftstoffs auf einen gewünschten, das Ausgabedruckniveau nicht überschreitenden Solldruck einzustellen.
-
Im Unterschied zum Stand der Technik wird nun also die Druckregelung durch zwei voneinander unterschiedliche Komponenten ausgeführt. War es vormals noch üblich genau ein Druckregelventil zwischen dem Gasspeicher und der Verteilereinheit vorzusehen, das dazu in der Lage ist, den vom Gasspeicher bereitgestellten Gasdruck je nach Anforderung auf einen spezifischen, variablen Ausgangsdruck zu wandeln, wird nach der Erfindung ein anderer Ansatz verfolgt.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, eine Druckregeleinheit sowie ein stromabwärts davon angeordnetes Strömungsregelventil zu nutzen, um die herkömmlicherweise erhaltenen Nachteile zu überwinden. Dabei wird also zunächst der unter einem sehr hohen Druck (bis zu 350 bar) in einem Gasspeicher komprimierte gasförmige (oder im Speicher auch in flüssiger Form vorliegende) Kraftstoff über die Druckregeleinheit auf ein stationäres, konstantes Zwischendruckniveau (beispielsweise 60 bar) abgesenkt, und erst stromabwärts dazu mithilfe des Strömungsregelventils auf den tatsächlich angeforderten Druck in der Verteilereinheit eingestellt (beispielsweise auf einen angeforderten Wert im Bereich von 10-60 bar).
-
Der Vorteil, der sich durch das erfindungsgemäße Auftrennen der Funktion in zwei verschiedene Komponenten (Druckregeleinheit und Strömungsregelventil) ergibt, liegt darin, dass das stromabwärtige Volumen (Regelvolumen bzw. Steuervolumen) durch eine entsprechende Anordnung des Strömungsregelventils verkleinert werden kann. Dies führt dann dazu, dass die Abweichungen von einem in der Verteilereinheit gewünschten Soll-Druckwert zu einem vorherrschenden Ist-Druckwert verringert werden, da ein schnelleres Verändern des in der Verteilereinheit vorherrschenden Druckwerts möglich ist.
-
Der Wert des Drucks, der die Einspritzdüsen speist, ist das Ergebnis des Strömungsgleichgewichts zwischen dem Volumenstrom, der in das Regelvolumen (Rail + Leitungen + Einspritzdüsen) eintritt, und dem Strom, der das Regelvolumen verlassen muss (Motoranforderungen). Die Zeit für die Entleerung des Regelvolumens ist proportional zu der Größe des Regelvolumens. Durch die Minimierung des Regelvolumens wird auch die Reaktionszeit des Systems minimiert, so dass die Druckregelung sehr schnell erfolgen kann.
-
In Übereinstimmung mit den typischen Anforderungen von Leicht- und Schwerlastanwendungen ist eine Druckregelung im Bereich von 10 bis 80 bar, vorzugsweise 10-60 bar, mit einem Druckgradienten von im Bereich von 20-60 bar/Sekunde, vorzugsweise 40-60 bar/Sekunde, beispielsweise von 50 bar/sec von Vorteil.
-
Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Strömungsregelventil auf der der Verteilereinheit zugewandten Hälfte der Fluidverbindungslänge, vorzugsweise auf dem von der Verteilereinheit abgehenden Viertel der Fluidverbindungslänge, bevorzugterweise auf dem von der Verteilereinheit abgehenden Zehntel der Fluidverbindungslänge, und ganz besonders bevorzugt direkt an der Verteilereinheit angeordnet ist.
-
Durch das Anordnen des Strömungsregelventils an oder nahe der Verteilereinheit ergibt sich ein geringeres Volumen, dessen Druck das Strömungsregelventil ändern muss. Dadurch ergibt sich ein verbessertes dynamisches Ansprechverhalten bei einer Druckregelanfrage für den Druckzustand der Verteilereinheit bzw. der davon gespeisten Injektoren.
-
Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Fluidverbindung eine flexible Fluidverbindung, insbesondere ein flexibles Rohr oder ein flexibler Schlauch, umfasst oder ist, um bspw. Vibrationen zwischen der Verteilereinheit und der Druckregeleinheit zu entkoppeln.
-
Durch Verwenden einer flexiblen Fluidverbindung zwischen der Druckregeleinheit und der Verteilereinheit können Vibrationen, die typischerweise im Bereich der Verteilereinheit aufgrund der unmittelbaren Nähe zum Motor bzw. zum Brennraum auftreten, entkoppelt werden. Eine Übertragung von Vibrationen hin zur Druckregeleinheit findet demnach nicht oder nur stark gedämpft statt, sodass die Anforderungen in Bezug auf die Vibrationsfestigkeit für die Druckregeleinheit im Vergleich zu einer im Motorraum angeordneten Einheit abgesenkt werden können.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Erfindung einen Speicher, insbesondere Gasspeicher oder Tank, aufweist, um einen gasförmigen Kraftstoff an die Druckregeleinheit mit einem vom Füllstand abhängigen variablen Druckniveau zuzuführen. Nach der Erfindung ist auch umfasst, dass der über die Injektoren gasförmig ausgegebene Kraftstoff in dem Speicher in flüssiger Form vorliegt.
-
Typischerweise ist es so, dass der Kraftstoff, der später in seinem gasförmigen Zustand in die Brennkammer eingeblasen wird, bei einem sehr hohen Druck (beispielsweise ca. 350 bar) in einem Tank bzw. einem Gasspeicher aufbewahrt wird.
-
Der Gasspeicher kann dabei auch aus einer Vielzahl von Speicherelementen bestehen, um die Platzverhältnisse durch eine verteilte Anordnung in einem Fahrzeug optimal auszunutzen.
-
Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Strömungsregelventil ferner dazu in der Lage ist, eine Fluidverbindung zwischen der Druckregeleinheit und der Verteilereinheit zu unterbrechen, um eine Kraftstoffzufuhr in die Verteilereinheit vollständig zu unterbinden.
-
Dadurch kann vom Vorsehen eines separat erforderlichen Shut-Off-Ventils, das eine Zufuhr von Kraftstoff auch für einen längeren Zeitraum einer Inaktivität der Vorrichtung (beispielsweise bei einem Abstellen des Fahrzeugs) bewirkt, abgesehen werden. Dadurch sinkt die Anzahl der erforderlichen Bauteile, was zu einer Reduktion der Komplexität und einer Verringerung des Gesamtgewichts führt, die hinsichtlich der Leistungseffizienz von Vorteil ist.
-
Weiter kann nach einer vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass diese ferner mit einer elektronischen Steuereinheit versehen ist, die dazu ausgelegt ist, das Strömungsregelventil und den mindestens einen Injektor anzusteuern, vorzugsweise in Abhängigkeit eines in der Verteilereinheit erfassten Temperatur- und/oder Druckwerts.
-
Die elektronische Steuereinheit besitzt die Aufgabe, den Zufluss von Kraftstoff in die Verteilereinheit und das Öffnen bzw. das Schließen des mindestens einen an die Verteilereinheit angeschlossenen Injektors zu regeln. Um die entsprechende von einem Bediener gewünschte Leistungscharakteristik eines mit der Vorrichtung zusammenwirkenden Motors bereitzustellen, erhält sie entsprechende Befehle eines Bedieners und wandelt diese in entsprechende Ansteuersignale um. Die an das Strömungsventil und den mindestens einen Injektor übermittelten Signale können dabei in Abhängigkeit des in der Verteilereinheit vorherrschenden Drucks und/oder der Temperatur variieren. Wird beispielsweise eine spontane Leistungsanforderung von einem Bediener gewünscht, muss möglichst rasch in der Verteilereinheit ein bestimmtes erhöhtes Druckniveau erreicht werden, sodass in Abhängigkeit des bereits vorherrschenden Druckniveaus das Strömungsventil geöffnet werden muss. Liegt hingegen die in der Verteilereinheit anliegende Temperatur über einem Schwellenwert, kann trotz einer spontanen Leistungsanforderung des Bedieners der Kraftstoff-Durchfluss durch das Strömungsventil unterhalb des möglichen Maximums gehalten oder gar reduziert werden, um die Effizienz des in der Brennkammer ablaufenden Brennvorgangs auf einem möglichst hohen Niveau zu halten.
-
Hierfür kann die Vorrichtung ferner mit einem in der Verteilereinheit angeordneten Temperatursensor und/oder Drucksensor zum Übermitteln der gemessenen Werte an die elektronische Steuereinheit versehen sein.
-
Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Verteilereinheit ein Rail, insbesondere ein Common-Rail, oder ein Verteilerblock ist, wobei vorzugsweise das Strömungsregelventil in den Verteilerblock integriert oder an diesem angeordnet ist.
-
Ferner kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass mehrere Injektoren mit der Verteilereinheit verbunden sind, die in mindestens einer Daisy-Chain-Konfiguration angeordnet sind, bei der mehrere Injektoren mit einem gemeinsamen Ausgang der Verteilereinheit verbunden sind. So kann also vorgesehen sein, dass die Verteilereinheit weniger Ausgänge besitzt als mit Kraftstoff zu versorgende Injektoren vorhanden sind. Es werden dann einfach mehrere Injektoren von einem der Ausgänge des Verteilerblocks mit Kraftstoff versorgt. Besitzt die Verteilereinheit beispielsweise zwei Ausgänge und existieren sechs Injektoren können jeweils drei Injektoren mit einem der beiden Ausgänge der Verteilereinheit verbunden sein. Vorteilhaft hieran ist, dass es ein kleineres Regelvolumen gibt als für den Fall, in dem jeder Injektor eine eigene Leitung zur Verteilereinheit bzw. dem Verteilerblock besitzt.
-
Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Druckregeleinheit eine mechanische Druckregeleinheit, vorzugsweise eine mechanische, einstufige Druckregeleinheit ist. Als Umsetzung der Druckregeleinheit kommt dabei auch ein Druckregelventil infrage.
-
Nach einer Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Druckregeleinheit dazu ausgelegt ist, das stationäre, konstante Ausgabedruckniveau auf einen Druckwert zu regeln, der in einem Bereich von 40-80 bar, vorzugsweise 50-70 bar und bevorzugterweise 55-65 bar liegt. Durch das Einstellen des Drucks durch die Druckregeleinheit auf einen festen, stationären Wert ist es für das stromabwärts angeordnete Strömungsregelventil leichter, einen gewünschten Drucksollwert zu erreichen. Schließlich muss das Strömungsregelventil dann nicht mehr dazu in der Lage sein, ausgehend von unterschiedlichen Eingangsdrücken die entsprechenden Drucksollwerte bereitzustellen.
-
Nach einer Variante der vorliegenden Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass der Gasspeicher dazu ausgelegt ist, einen Kraftstoff, insbesondere Wasserstoff, unter einem Druck im Bereich von 300-400 bar, vorzugsweise 320-370 bar und bevorzugterweise 345-355 bar zu speichern.
-
Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehend diskutierten Varianten, wobei der Motorraum des Fahrzeugs eine erste Zone bildet, in der die Verteilereinheit, der mindestens eine Injektor und das Strömungsregelventil angeordnet sind, und andere Bereiche als der Motorraum eine zweite Zone bilden, in der die Druckregeleinheit, und vorzugsweise auch ein Gasspeicher, angeordnet ist.
-
Der Motorraum beschreibt dabei typischerweise den Bereich eines Fahrzeugs, der zur Aufnahme des Motors vorgesehen ist und dabei vorzugsweise baulich von anderen Bereichen des Fahrzeugs getrennt ist.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Fluidverbindung zwischen der Druckregeleinheit und der Verteilereinheit von der ersten Zone in die zweite Zone verläuft und insbesondere durch ein flexibles Rohr oder einen flexiblen Schlauch verkörpert ist.
-
Dies ist von Vorteil, da die typischerweise durch den Motor erzeugten Vibrationen aufgrund der flexiblen Ausgestaltung der Fluidverbindung in Form eines flexiblen Rohrs oder eines flexiblen Schlauchs nicht stromaufwärts Richtung Druckregeleinheit oder Gasspeicher übertragen werden.
-
Nach der Erfindung kann also vorgesehen sein, dass die erste Zone und die zweite Zone durch ein Trennmittel voneinander getrennt sind, um von einer der beiden Zonen ausgehende Vibrationen, akustische Wellen und/oder thermische Einflüsse zu verringern.
-
Die Trennmittel können dabei durch die Fahrzeugstruktur des Fahrzeugs gebildet aber auch durch eine Auskleidung des Motorraums (beispielsweise mit Akustikmatten oder dergleichen) verwirklicht sein.
-
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:
- 1: eine Prinzipskizze einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zur Direkteinspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs,
- 2: eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Direkteinspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs,
- 3: eine Prinzipskizze einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Direkteinspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs,
- 4: eine Prinzipskizze einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Direkteinspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs, und
- 5: eine Prinzipskizze einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Direkteinspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs.
-
1 zeigt eine Prinzipskizze einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung 1 zum direkten Einspritzen eines gasförmigen Kraftstoffs.
-
Der Stand der Technik basiert auf der Technologie der aktuellen Niederdruckregelung, die bei MPI-Motoren eingesetzt wird, und verwendet eine einzige elektronische PRV-Komponente 2* (Pressure regulation valve-Komponente bzw. Druckregeleinheit), die die gesamte Funktionalität der Tankdruckstabilisierung und der Regelung des Drucks des durch die Injektoren einzublasenden Kraftstoffs auf einen Sollwert integriert.
-
Diese Druckregeleinheit 2* wird normalerweise am Auslass des Tanks 7 oder am Maschinenchassis installiert, um Vibrationen, thermische und mechanische Belastungen zu vermeiden, die für eine im Motorraum montierte Lösung typisch sind. Die Hauptnachteile und Einschränkungen einer solchen Lösung sind dabei die große Bauteilgröße mit daraus resultierender Beschränkung der möglichen Bauteildichte und der Layout-Flexibilität sowie ein erhöhtes Bauteilgewicht. Eine Montage im Motorraum scheidet aufgrund der dort herrschenden Vibration und der mechanischen und thermischen Beanspruchung de facto aus. Weiter nachteilhaft ist das große Regelvolumen hinter dem Regler und die damit einhergehende hohe Reaktionsträgheit (nicht reduzierbar durch das Innenvolumen des Systems, lange Leitungen zwischen Regler 2* und Injektor 4).
-
In der aus dem Stand der Technik bekannten Umsetzung umfasst dabei die erste Zone 11, die den Zuführbereich des Kraftstoffs kennzeichnet, nur den Gasspeicher 7. Die zweite Zone 12, die das Steuervolumen des Kraftstoffs kennzeichnet, umfasst hingegen die stromabwärts angeordneten Bauteile der Vorrichtung 1. So wird die aus dem Stand der Technik bekannte elektrische Druckregeleinheit 2* dazu genutzt, den in der Verteilereinheit 3 einzustellenden Druck auszugeben. Um die räumliche Distanz zwischen der typischerweise am Gasspeicher 7 angeordneten Druckregeleinheit 2* und der Verteilereinheit 3 zu überbrücken, ist eine Fluidverbindung 5 vorgesehen, die über ihre gesamte Länge einen Kraftstoff auf dem Druckniveau der Verteilereinheit 3 führt.
-
In der rechts neben dem Gasspeicher 7 dargestellten grafischen Darstellung erkennt man den Ausgangsdruck des Gasspeichers 7, der über die Zeit t angeordnet ist. Mit absinkenden Füllstand sinkt auch der Ausgabedruck des Gasspeichers 7, der an das Druckregelventil 2* gegeben wird. Daher muss dieses Druckregelventil 2* dazu in der Lage sein, ausgehend von unterschiedlichen Ausgabedrücken des Gasspeichers 7 den gewünschten Solldruck auszugeben, was zu einer relativ komplexen Ausgestaltung der Druckregeleinheit 2* führt.
-
Darüber hinaus nachteilhaft ist, dass das mit dem Solldruck zu versehende Regelvolumen relativ groß ist, da dies nicht nur die Verteilereinheit 3 sondern auch die Fluidverbindung 5 vollständig umfasst.
-
Betrachtet man die rechts neben der Druckregeleinheit 2* angeordnete grafische Darstellung, die den Ausgabedruck der Druckregeleinheit 2* über die Zeit t angibt, erkennt man in gepunkteter Linienführung den gewünschten Sollwert und in einer durchgehenden Linie den erreichten Istwert des Ausgabedrucks der Druckregeleinheit 2*. Aufgrund des großen Steuervolumens (durch die Fluidverbindung 5 und die Verteilereinheit 3) können dynamische Druckänderungsanforderungen nur mit einem gewissen zeitlichen Versatz umgesetzt werden. Dies erkennt man beispielsweise an den unterschiedlich steilen Flankenverläufen und die insgesamt größere Abweichung der beiden Kurven. Die von der elektronischen Steuereinheit 8 ausgegebenen Steuerbefehle können demnach nur mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung erreicht werden.
-
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Ausgehend von einem Speicher 7 bzw. Tank wird auch hier der am Ausgang des Speichers 7 gasförmig vorliegende Kraftstoff in die Verteilereinheit 3 eingeführt, sodass die daran angeschlossenen Injektoren 4 den gasförmigen Kraftstoff bei einem gewünschten Druckniveau ausgeben können.
-
Im Unterschied zur aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung schließt sich an den Ausgang des Speichers 7 eine Druckregeleinheit 2 an, die den Kraftstoff mit einem konstanten, stationären Druck ausgibt. Dieser Druck liegt beispielsweise im Bereich von ca. 60 bar und damit deutlich unterhalb des im Speicher 7 vorherrschenden Druckniveaus von ca. 350 bar. Stromabwärts der Druckregeleinheit 2 ist über eine Fluidverbindung 5 ein Strömungsregelventil 6 angeschlossen, das, separat zu der Druckregeleinheit 2, die Aufgabe besitzt, die in der Verteilereinheit 3 einzustellenden variablen Druckniveaus zu erzeugen.
-
Rechts neben dem Speicher 7 erkennt man wieder den über die Zeit t aufgetragenen Druck P, der mit sinkenden Füllstand des Speichers 7 absinkt. Die erfindungsgemäße Druckregeleinheit 2 besitzt, anders als die aus dem Stand der Technik bekannte Druckregeleinheit 2*, die Aufgabe, den vom Speicher 7 stammenden Kraftstoff auf ein konstantes, stationäres Druckniveau zu bringen. Der Kraftstoff mit diesem konstanten, stationären Druckniveau wird dann über die Fluidverbindung 5 zum Strömungsregelventil 6 geleitet, das typischerweise im Bereich der Verteilereinheit 3 angeordnet ist. Dadurch verringert sich das Steuervolumen, welches mit einem variablen Druck an Kraftstoff zu beaufschlagen ist. Schließlich sind so Umsetzungen denkbar, bei denen bspw. das Steuervolumen auf die Verteilereinheit 3 sowie die daran angeschlossenen Injektoren 4 reduziert werden kann. Das Strömungsregelventil 6 ist dazu ausgelegt, ausgehend von dem konstanten, stationären Ausgabedruck der Druckregeleinheit 2 die gewünschten, variablen Druckwerte, die in der Verteilereinheit 3 vorherrschen sollen, auszugeben.
-
Rechts neben der Druckregeleinheit 2 erkennt man das Ausgabedruckniveau P über der Zeit t, das von der Druckregeleinheit 2 über die Fluidleitung 5 dem Strömungsregelventil 6 zugeführt wird. Das Strömungsregelventil 6 erhält dabei - unabhängig von einem Füllstand des Speichers 7- ein konstantes Druckniveau des Kraftstoffs, von dem aus die gewünschten Drucksollwerte eingestellt werden. Unterhalb der Verteilereinheit erkennt man eine grafische Darstellung, die den in der Verteilereinheit vorherrschenden Druck über der Zeit t wiedergibt. Die durchgehende Linie dieser Darstellung beschreibt dabei den Ist-Druck des Kraftstoffs, wohingegen die gestrichelt ausgeführte Linie den Soll-Druckwert des Kraftstoffs angibt. Man erkennt, dass die Abweichungen der beiden in der Darstellung eingezeichneten Kurven nur minimal voneinander abweichen und sehr viel näher beieinander liegen als das entsprechende Pendant in 1.
-
Ferner erkennt man, dass die erste Zone 11, die den Zufuhrbereich des Kraftstoffs ohne lastabhängige, variable Druckschwankungen definiert, nun nicht mehr nur den Speicher 7 der Vorrichtung 1, sondern darüber hinaus auch die Druckregeleinheit 2 sowie einen Teil der Fluidverbindung 5 enthält.
-
Die zweite Zone 12, die die Bauteile mit den zu steuernden Regelvolumen eines variierenden Drucks bezeichnet, ist hingegen reduziert worden, da große Teile der stromaufwärts zum Strömungsregelventil 6 angeordneten Fluidverbindung 5 mit einem konstanten, stationären Druck des Kraftstoffs zusammenwirken. Die Verringerung des Regelvolumens bewirkt dabei auch das verbesserte Ansprechverhalten des variierten Drucks in der Verteilereinheit 3.
-
Die elektronische Steuereinheit 8 ist dabei mit einem Temperatursensor 9 verbunden, der die Temperatur in der Verteilereinheit 3 misst. Darüber hinaus ist die elektronische Steuereinheit 8 auch mit einem Drucksensor 10 verbunden, der den in der Verteilereinheit 3 vorherrschenden Druck meldet. Es kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit von Druck und/oder Temperatur in der Verteilereinheit 3 eine Ansteuerung des Strömungsregelventils 6 bzw. der mit der Verteilereinheit 3 in Verbindung stehenden Injektoren 4 erfolgt.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Zone 12 den Motorraum eines Fahrzeugs definiert, und die erste Zone 11 andere Bereiche als den Motorraum eines Fahrzeugs beschreibt. Durch das Anordnen von Strömungsregelventil 6 im Motorraum und Druckregeleinheit 2 an einer entfernten Position dazu, können die oben beschriebenen Vorteile erreicht werden. Weiter von Vorteil ist es, wenn die Fluidverbindung dabei eine flexible Fluidverbindung, beispielsweise ein flexibles Rohr oder ein flexibler Schlauch ist, um vom Motorraum abgehende Vibrationen zu den stromaufwärts angeordneten Komponenten wie Druckregeleinheit 2 und Speicher 7 zu entkoppeln.
-
3 zeigt dabei eine weitere Prinzipskizze einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Man erkennt, dass das Strömungsregelventil 6 nun direkt an der Verteilereinheit 3, die vorliegend ein Rail ist, angeordnet ist.
-
Zudem erkennt man, dass der Speicher 7 nun aus einer Anordnung mehrerer parallel zueinander geschalteter Tanks besteht, die über eine Rückschlagventil 13, ein Filter 14 mit einem Zwei-Wege-Ventil 18 verbunden sind. Stromabwärts dazu schließt sich die Druckregeleinheit 2 an, die vorliegend mit einem einstufigen Druckregelventil 15 umgesetzt ist. Diese kann dabei ein Filter 16 sowie das entsprechende Ventil 15 aufweisen, das über eine Blow-Off-Leitung 17 verfügt, über die notfalls ein gasförmiger Kraftstoff, dessen Druckniveau zu hoch ist und abgelassen werden muss, ausgelassen werden kann. Der über die Injektoren gasförmig abgegebene Kraftstoff kann dabei in dem Speicher 7 auch in flüssiger Form vorliegen und seinen gasförmigen Zustand erst im Speicher 7 selber oder stromabwärts dazu erlangen.
-
Die elektronische Steuereinheit 8 kann dazu ausgelegt sein, die mehreren Tanks des Speichers 7 und deren Auslassöffnungen zu steuern, sodass der Druckregeleinheit 2 je nach den Füllständen der Tanks des Speichers 7 einen in seinem Druck variierender Kraftstoff zugeführt wird, den die Druckregeleinheit 2 auf ein konstantes, stationäres Niveau wandelt. Darüber hinaus steht die elektronische Steuereinheit 8 auch mit einer Motor-Steuereinheit 20 in Verbindung (vgl. Doppelpfeil), die wiederum für eine Aktivierung der Zündkerzen 21 verantwortlich ist. Um ein darauf abgestimmtes Einspritzen des gasförmigen Kraftstoffs zu bewirken, ist eine entsprechend zeitlich daraufhin abgestimmte Betätigung der Injektoren 4 von Vorteil.
-
4 zeigt dabei eine leicht geänderte Variante der in 3 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Verteilereinheit 3 nunmehr kein Rail bzw. Common-Rail ist, sondern ein Verteilerblock für gasförmigen Kraftstoff. Dieser Verteilerblock kann mehrere Komponenten in einem Bauteil enthalten und umfasst beispielsweise das Strömungsregelventil 6 sowie den Drucksensor 10 und/oder den Temperatursensor 9. Durch die Integration der mehreren Komponenten in einem einzelnen Bauteil kann das Regelvolumen, in dem der variable Einspritzdrucke des Kraftstoffs vorherrscht, weiter verringert werden.
-
5 ist eine weitere Fortbildung des vorhergehenden Layouts der 3, bei dem der Verteilerblock (als Verteilereinheit 3) über weniger Ausgänge verfügt als mit Kraftstoff zu versorgende Injektoren 4. Dies ist insbesondere bei der Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einen Motorraum von Vorteil, da dies unter den sehr beengten Platzverhältnissen die Möglichkeit erlaubt, unterschiedliche Injektoren an unterschiedlichen Seiten des Verteilerblocks anzuschließen. Dabei kann vorgesehen sein, dass mehrere der Injektoren 4 mit demselben Ausgang des Verteilerblocks verbunden sind. Von Vorteil bei dieser Ausführungsform ist dabei, dass das zu steuernden Regelvolumen weiter verkleinert wird, da das Volumen der Leitungen, die zu den mehreren Injektoren 4 verlaufen dadurch weiter verkleinert werden kann. Wenn nicht jeder der vorhandenen Injektoren 4 über eine eigene Leitung verfügt, sondern mehrere Injektoren vor einem Anschließen an den Verteilerblock bzw. eine Verteilereinheit 3 leitungsmäßig zusammengeführt werden, ist das zu steuernde Volumen der Leitungen gegenüber einer separaten Leitung für jeden Injektor 4 geringer. Wie bereits oben erläutert, geht das Verringern des Regelvolumens mit einer Verbesserung des Ansprechverhaltens bei einem Variieren des Drucks einher, sodass eine verbesserte Annäherung an das gewünschte Soll-Druckniveau erreicht wird.
