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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Absperrventileinrichtung für ein Brennstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit insbesondere gasförmigem Brennstoff, eine Druckregeleinrichtung für ein solches Brennstoffversorgungssystem, und ein Brennstoffversorgungssystem mit den Merkmalen der Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
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Vom Markt her bekannt sind Brennkraftmaschinen, deren Brennstoff gasförmiger Wasserstoff ist. Derartige Brennkraftmaschinen können beispielsweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet werden. Der Wasserstoff kann beispielsweise unter relativ hohem Druck, beispielsweise 700 bar, in flüssiger Form in einem tankartigen Brennstoffspeicher gespeichert sein. Von dort gelangt er über eine Hochdruck-Druckregeleinrichtung zu einer Niederdruck-Druckregeleinrichtung und weiter zu einer Verteilerkammer, die funktional ähnlich ist wie das Kraftstoffrail bei einer Brennkraftmaschine mit Benzin- oder Diesel-Direkteinspritzung. Die Hochdruck-Druckregeleinrichtung regelt den Gasdruck typischerweise herunter auf beispielsweise ungefähr 40 bar, die Niederdruck-Druckregeleinrichtung regelt den Gasdruck weiter herunter typischerweise auf einen Druck von ungefähr 15 bar. An die Verteilerkammer sind üblicherweise mehrere Injektoren angeschlossen, die den gasförmigen Brennstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine (H2-Direkteinspritzung) oder in eine Vorkammer einblasen (Port Fuel Injection).
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Die Niederdruck-Druckregeleinrichtung wird auch als HIPR („Hydrogen Injection Pressure Regulator“) abgekürzt. Sie regelt entsprechend den spezifischen Anforderungen den Druck und somit den Massen- oder Volumenstrom in der Verteilerkammer bzw. zu der Verteilerkammer. Je nach Größe des geforderten Massen- oder Volumenstroms umfasst das HIPR aktuell ein oder zwei modifizierte sog. „HGIs“, bei denen es sich um Proportionalventile handelt. Die beiden HGls sind hydraulisch parallel zueinander angeordnet zwischen einem dem Gasspeicher zugewandten Einlass der Niederdruck-Druckregeleinrichtung und einem der Verteilerkammer zugewandten Auslass der Niederdruck-Druckregeleinrichtung. Zu der Niederdruck-Druckregeleinrichtung gehören typischerweise noch ein Drucksensor und ein Sicherheitsventil. Das Sicherheitsventil ist als Absperrventileinrichtung ausgeführt. Bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine ist die Absperrventileinrichtung geschlossen, und die Absperrventileinrichtung öffnet, wenn die Brennkraftmaschine gestartet werden soll. Die Absperrventileinrichtung soll bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine im Falle einer Leckage einen unerwünschten Gasaustritt in die Verteilerkammer verhindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Absperrventileinrichtung, eine Druckregeleinrichtung und ein Brennstoffversorgungssystem mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen genannt.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Absperrventileinrichtung gegen einen hohen Druck öffnen kann. Gleichzeitig ist zur Ansteuerung des Aktors, um die Absperrventileinrichtung in geöffnetem Zustand halten zu können, nur vergleichsweise wenig Energie notwendig. Wird der Aktor nicht betätigt, ist die Absperrventileinrichtung geschlossen. Ein Brennstoffversorgungssystem mit einer solchen Absperrventileinrichtung arbeitet daher sehr sicher und zuverlässig.
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Konkret wird eine Absperrventileinrichtung vorgeschlagen, die ausgebildet und eingerichtet ist, um in einem Brennstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit insbesondere gasförmigem Brennstoff eingesetzt zu werden. Bei dem Brennstoff kann es sich beispielsweise um Wasserstoff, insbesondere gasförmigen Wasserstoff handeln. Der Wasserstoff wird also zur innermotorischen Verbrennung verwendet. Bei der Brennkraftmaschine kann es sich um eine im wesentlichen typische Kolben-Brennkraftmaschine handeln, wie sie beispielsweise bei Kraftfahrzeugen oder stationären Generatoren eingesetzt wird.
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Bei einem solchen Brennstoffversorgungssystem kann der Wasserstoff beispielsweise unter relativ hohem Druck, beispielsweise 700 bar, in flüssiger Form in einem Brennstoffspeicher gespeichert sein. Von dort kann er über eine Hochdruck-Druckregeleinrichtung zu einer Niederdruck-Druckregeleinrichtung und weiter zu einer Verteilerkammer gelangen, die funktional ähnlich ist wie das Kraftstoffrail bei einer Brennkraftmaschine mit Benzin- oder Diesel-Direkteinspritzung. Die Hochdruck-Druckregeleinrichtung regelte den Gasdruck typischerweise herunter auf beispielsweise ungefähr 40 bar, die Niederdruck-Druckregeleinrichtung regelt den Gasdruck weiter herunter typischerweise auf einen Druck von ungefähr 15 bar. An die Verteilerkammer können mehrere Injektoren angeschlossen sein, die den Brennstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine (H2-Direkteinspritzung) oder in eine Vorkammer einblasen (Port Fuel Injection).
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Die gerade erwähnte Niederdruck-Druckregeleinrichtung (HIPR) regelt entsprechend den spezifischen Anforderungen den Druck und somit den Massen- oder Volumenstrom in der Verteilerkammer bzw. zu der Verteilerkammer. Hierzu kann das HIPR mindestens ein Proportionalventil umfassen. Zu der Niederdruck-Druckregeleinrichtung gehören typischerweise noch ein Drucksensor und ein Sicherheitsventil. Das Sicherheitsventil kann beispielsweise als die hier vorgeschlagene Absperrventileinrichtung ausgeführt sein. Bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine ist die Absperrventileinrichtung geschlossen, und die Absperrventileinrichtung öffnet, wenn die Brennkraftmaschine gestartet werden soll.
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Die Absperrventileinrichtung umfasst einen Einlass, der beispielsweise dem Brennstoffspeicher des Brennstoffversorgungssystems zugewandt ist. Am Einlass der Absperrventileinrichtung herrscht somit ein bestimmter Druck, der typischerweise durch stromaufwärts von der Absperrventileinrichtung vorhandene Einrichtungen eingestellt wird, beispielsweise eine Hochdruck-Druckregeleinrichtung. Ein typischer Druck am Einlass der Absperrventileinrichtung liegt beispielsweise ungefähr im Bereich von 40 bar.
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Die Absperrventileinrichtung umfasst ferner einen Auslass, der beispielsweise Proportionalventilen einer Druckregeleinrichtung und stromabwärts weiter einer Verteilerkammer zugewandt ist. Eine solche Druckregeleinrichtung kann beispielsweise eine Niederdruck-Druckregeleinrichtung sein, die den Druck weiter reduziert, beispielsweise auf einen Druck von ungefähr 15 bar.
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Zu der Absperrventileinrichtung gehört ferner ein erstes Ventil mit einem ersten Ventilelement, welches durch eine erste Vorspanneinrichtung in Schließrichtung beaufschlagt wird und durch einen ansteuerbaren Aktor in Öffnungsrichtung beaufschlagbar ist. Das erste Ventil ist also „stromlos geschlossen“. Es handelt sich also um ein typisches Schaltventil mit einer Schaltstellung „auf“ und einer Schaltstellung „zu“.
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Erfindungsgemäß umfasst die Absperrventileinrichtung ferner ein zu dem ersten Ventil hydraulisch paralleles zweites Ventil mit einem zweiten Ventilelement, welches durch einen einlassseitigen Fluiddruck in Schließrichtung und durch einen auslassseitigen Fluiddruck in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird. Das zweite Ventil wird also allein durch die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass der Absperrventileinrichtung geöffnet. Der Druck am Auslass der Absperrventileinrichtung steigt jedoch an bzw. der Druck am Einlass der Absperrventileinrichtung sinkt, wenn das erste Ventil durch eine entsprechende Ansteuerung des Aktors geöffnet wird. Durch das Öffnen des ersten Ventils wird somit die Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass und somit über das zweite Ventilelement hinweg so beeinflusst, dass das zweite Ventil öffnet.
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Der Durchflussquerschnitt des zweiten Ventils ist typischerweise deutlich größer als jener des ersten Ventils. Ist das zweite Ventil geöffnet, kann die Absperrventileinrichtung also als vollständig geöffnet angesehen werden, so dass der Brennstoff weitgehend ungedrosselt beispielsweise zu der Niederdruck-Druckregeleinrichtung des Brennstoffversorgungssystems gelangen kann. Da das zweite Ventil sozusagen das „Hauptventil“ mit entsprechend großem Öffnungsquerschnitt ist, kann das erste Ventil („Pilotventil“) einen entsprechend kleinen Öffnungsquerschnitt aufweisen, sodass der Aktor auch nur eine vergleichsweise geringe Kraft zum Öffnen des ersten Ventils aufbringen muss, und auch nur eine vergleichsweise geringe Kraft zum Offenhalten des ersten Ventils aufbringen muss. Entsprechend kann der Aktor vergleichsweise klein sein, und es wird nur vergleichsweise wenig Energie für seine Betätigung benötigt.
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Ferner ist das zweite Ventilelement in Schließrichtung mechanisch mit dem ersten Ventil derart gekoppelt, dass es schließt, wenn das erste Ventil schließt. Das erste Ventilelement wiederum schließt dann, wenn die Energiezufuhr zum Aktor des ersten Ventils beendet wird. Somit wird sichergestellt, dass durch eine Beendigung der Energiezufuhr zum Aktor des ersten Ventils die gesamte Absperrventileinrichtung des Brennstoffversorgungssystems schließt. Auf einen eigenen Schließmechanismus des zweiten Ventils kann somit verzichtet werden. Beispielsweise könnte das erste Ventil über einen nur in Schließrichtung wirkenden Mitnehmer verfügen, der wiederum mit dem zweiten Ventilelement zusammenwirkt.
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Insgesamt wird durch die erfindungsgemäße Absperrventileinrichtung ein Schaltventil realisiert, welches gegen einen vergleichsweise hohen Druck öffnen kann und im geöffneten Zustand relativ wenig Energie benötigt, um geöffnet zu bleiben. Dies wird durch ein 2-stufiges Öffnungsprinzip ermöglicht. Die erste Stufe bzw. das erste Ventil ist ein Pilotventil, welches durch einen Aktor geöffnet wird, und die zweite Stufe bzw. das zweite Ventil ist das Hauptventil, welches selbstständig über die durch das Pilotventil beeinflusste Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass geöffnet wird.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das zweite Ventilelement zusätzlich durch eine zweite Vorspanneinrichtung in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird. Hierdurch wird das Öffnen des zweiten Ventils nochmals vereinfacht, den die Abhängigkeit des Öffnens des zweite Ventils von einer ausreichenden Reduzierung der Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass durch das Öffnen des erste Ventils wird reduziert. Es genügt, dass die in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft zusammen mit der in Öffnungsrichtung wirkenden Vorspannkraft größer sind als die in Schließrichtung wirkende hydraulische Kraft. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Absperrventileinrichtung wird hierdurch nochmals vereinfacht.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Ventilelement durch den auslassseitigen Fluiddruck in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird und dass die in Öffnungsrichtung wirkende hydraulisch wirksame Fläche des ersten Ventilelements kleiner ist als die in Öffnungsrichtung wirkende hydraulisch wirksame Fläche des zweiten Ventilelements. Somit wird trotz einer möglicherweise großen Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass nur vergleichsweise wenig Kraft benötigt, um das erste Ventil zu öffnen, und gleichzeitig reicht eine vergleichsweise geringe Veränderung der Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass aus, um das zweite Ventil zu öffnen.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das zweite Ventilelement einen Ventilsitz für das erste Ventilelement aufweist. Das zweite Ventilelement hat also eine Doppelfunktion. Eine solche Absperrventileinrichtung hat besonders kompakte, also geringe Abmessungen.
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Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass das erste Ventilelement einen Ventilstößel mit einer endseitigen Stirnfläche umfasst, dass das zweite Ventilelement eine Ventilplatte mit einem Fluiddurchlass umfasst und dass ein Ventilsitz für das erste Ventilelement am zweiten Ventilelement ausgebildet ist und in geschlossenem Zustand mit der endseitigen Stirnfläche des ersten Ventilelements zusammenwirkt. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass wesentliche Komponenten des ersten Ventils von sogenannten „Mengensteuerventilen“ unverändert oder nur mit geringen Änderungen übernommen werden können, beispielsweise der Aktor, mindestens ein Teil eines Ventilgehäuses, der Ventilstößel, etc.. Derartige Mengensteuerventile werden bei Kraftstoff-Hochdruckpumpen, die als Kolbenpumpen ausgeführt sind, von Benzin- oder Diesel-Kraftstoffsystemen zur Steuerung des von der Kraftstoff-Hochdruckpumpe geförderten Kraftstoffs eingesetzt.
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Derartige Kraftstoff-Hochdruckpumpen verfügen als Einlassventil typischerweise über ein klassisches federbelastetes Rückschlagventil, beispielsweise mit einem plattenförmigen Ventilelement. Durch einen Ventilstößel, der mit einem Aktor verbunden ist, kann das Ventilelement des Einlassventils zeitweise zwangsweise in die geöffnete Stellung beaufschlagt werden. Mindestens die Komponenten Ventilstößel und Aktor - typischerweise ein elektromagnetischer Aktor - können nun zur Realisierung der erfindungsgemäßen Absperrventileinrichtung herangezogen werden. Da das erste Ventil nur als Pilotventil arbeitet und daher nur vergleichsweise geringe hydraulische Kräfte am ersten Ventilelement wirken, können die Komponenten Ventilstößel und Aktor eines klassischen Mengensteuerventils ohne jede oder zumindest ohne wesentliche Änderungen an Aktor und Ventilstößel übernommen werden. Hierdurch werden erhebliche Kosten gespart, und es können vorhandene Fertigungseinrichtungen verwendet werden.
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Zusammen mit den beiden oben erwähnten Vorspanneinrichtungen wirkt die erste Vorspanneinrichtung bei dieser Weiterbildung dann in Schließrichtung beider Ventile, und wirkt die zweite Vorspanneinrichtung in Öffnungsrichtung beider Ventile. Es ist in diesem Fall vorteilhaft, wenn eine Vorspannkraft der in Schließrichtung wirkenden ersten Vorspanneinrichtung größer ist als eine Vorspannkraft der in Öffnungsrichtung wirkenden zweiten Vorspanneinrichtung.
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Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass die endseitige Stirnfläche des ersten Ventilelements ballig ausgebildet ist und/oder der Ventilsitz am zweiten Ventilelement eine konische Fläche umfasst. Hierdurch wird eine gute Dichtwirkung und eine Selbstzentrierung des ersten Ventilelements am Ventilsitz des zweiten Ventilelements ermöglicht, und darüber hinaus ein vergleichsweise geringer Durchmesser des Dichtquerschnitts, also jener Abdichtlinie, mittels der das erste Ventilelement bei geschlossenem ersten Ventil am zweiten Ventilelement anliegt, realisiert. Entsprechend ist der Wert der hydraulischen Kraftresultierenden, die am ersten Ventilelements angreift, auch bei einer vergleichsweise hohen Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass relativ gering, so dass der Aktor nur eine vergleichsweise geringe Kraft aufbringen muss, um das erste Ventil zu öffnen.
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Denkbar ist dabei im Übrigen auch, dass das zweite Ventilelement eine konische Dichtfläche aufweist, die bei geschlossenem zweiten Ventil an einem entsprechenden konischen Ventilsitz anliegt, der beispielsweise an einem - gegebenenfalls mehrteiligen - Ventilgehäuse der Absperrventileinrichtung ausgebildet ist.
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Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass das zweite Ventilelement am ersten Ventilelement im Gleitsitz geführt ist. Hierdurch wird die Montage vereinfacht und die Zuverlässigkeit im Betrieb der Absperrventileinrichtung erhöht. Möglich ist beispielsweise, dass das zweite Ventilelement insgesamt zylindrisch topfförmig ist und mittels seiner zylindrischen Seitenwand auf dem zylindrischen Ventilstößel geführt ist. Der Ventilsitz für das erste Ventilelement wäre in diesem Fall am „Boden“ des zweiten topfförmigen Ventilelements ausgebildet. Der Strömungsweg für das Fluid bei geöffnetem ersten Ventil könnte dann beispielsweise durch mindestens eine Öffnung in der Umfangswand des zweite Ventilelements und mindestens eine - vorzugsweise zentrische - Öffnung im Boden des zweiten Ventilelements bereitgestellt werden.
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Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass das zweite Ventilelement aus einem dichtenden Kunststoff hergestellt ist. Hierdurch wird ebenfalls die Zuverlässigkeit im Betrieb der Absperrventileinrichtung erhöht. Beispielsweise kann das zweite Ventilelement ein Elastomermaterial, PEEK, PTFE, Vespel, oder einen ähnlichen Dichtungswerkstoff umfassen bzw. aus einem solchen hergestellt sein.
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Die vorliegende Erfindung betrifft, wie bereits oben erwähnt, auch eine Druckregeleinrichtung für ein Brennstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Brennstoff, beispielsweise gasförmigem Wasserstoff, wie es eingangs beschrieben wurde. Die Druckregeleinrichtung ist insbesondere eine Niederdruck-Druckregeleinrichtung, die insbesondere den Druck in einer stromabwärts von ihr angeordneten Verteilerkammer regelt, an die wiederum mehrere Injektoren angeschlossen sind. Erfindungsgemäß weist die Druckregeleinrichtung eine Absperrventileinrichtung der obigen Art auf. Die Druckregeleinrichtung kann dabei zusammen mit der Absperrventileinrichtung und einem oder mehreren Druckregelventilen und/oder einem oder mehreren Drucksensoren ein zusammenhängendes, beispielsweise modular aufgebautes Bauteil bilden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich noch, wie ebenfalls bereits oben erwähnt, ein Brennstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit vorzugsweise gasförmigem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, umfassend einen Brennstoffspeicher, mindestens eine Druckregeleinrichtung, beispielsweise eine Hochdruck-Druckregeleinrichtung und/oder eine stromabwärts von der Hochdruck-Druckregeleinrichtung angeordnete Niederdruck-Druckregeleinrichtung, eine stromabwärts von der mindestens einen Druckregeleinrichtung angeordnete Verteilerkammer und eine Mehrzahl von an die Verteilerkammer angeschlossenen Injektoren. Es ist vorteilhaft, wenn mindestens eine Druckregeleinrichtung eine Absperrventileinrichtung der obigen Art umfasst.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffversorgungssystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Brennstoff, mit einer Druckregeleinrichtung, die wiederum eine Absperrventileinrichtung umfasst;
- 2 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Druckregeleinrichtung von 1;
- 3 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Druckregeleinrichtung von 1;
- 4 ein hydraulisches Ersatzschaltbild der Absperrventileinrichtung von 1;
- 5 einen Schnitt durch die Absperrventileinrichtung von 1;
- 6 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ventilelements der Absperrventileinrichtung von 1; und
- 7 eine geschnittene perspektivische Darstellung durch die Absperrventileinrichtung von 1.
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Nachfolgend tragen funktionsäquivalente Elemente und Bereiche in unterschiedlichen Figuren und in unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen. Sie werden im Normalfall nur bei der ersten Erwähnung im Detail beschrieben. Darüber hinaus sind aus Gründen der Vereinfachung nicht in allen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingetragen.
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Ein Brennstoffversorgungssystem trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es dient zur Versorgung einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine mit einem insbesondere gasförmigen Brennstoff, vorliegend beispielsweise gasförmigem Wasserstoff.
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Der Wasserstoff ist in flüssiger Form unter hohem Druck, beispielsweise ungefähr 700 bar, in einem tankartigen Brennstoffspeicher 12 gespeichert. Dieser kann über einen Füllanschluss 14 befüllt werden. Am Brennstoffspeicher 12 ist ferner eine integrierte Einheit 16 aus einem Tankventil zur Befüllung und Abgabe von Wasserstoff in bzw. aus dem Brennstoffspeicher 12 und einem Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des aus dem Brennstoffspeicher 12 kommenden gasförmigen Wasserstoffs angeordnet.
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Der gasförmige Wasserstoff gelangt über eine Druckleitung 18 zunächst zu einem Filter 20 und von dort weiter zu einer Hochdruck-Druckregeleinrichtung 22. Diese reduziert den Druck des gasförmigen Wasserstoffs beispielsweise auf einen Druck im Bereich von 40 bar. Die Druckleitung 18 führt von der Hochdruck-Druckregeleinrichtung 22 weiter zu einem Drucksensor 24, einen weiteren Filter 26 und eine optionale Temperiereinrichtung 28 schließlich zu einer Niederdruck-Druckregeleinrichtung 30.
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Die Niederdruck-Druckregeleinrichtung 30 umfasst vorliegend eine Absperrventileinrichtung 32, stromabwärts von dieser zwei hydraulisch parallele Druckregelventile 34 und zwischen Absperrventileinrichtung 32 und den beiden Druckregelventilen 34 einen Niederdruck-Drucksensor 35. Die beiden Druckregelventile 34 sind identisch aufgebaut und sind typischerweise Proportionalventile. Durch die Niederdruck-Druckregeleinrichtung 30 wird der Druck in der Druckleitung 18 nochmals abgesenkt von dem eingangsseitigen vorliegend beispielhaften Druck von ungefähr 40 bar auf einen Druck beispielsweise von ungefähr 15 bar. Die den Druckregelventilen 34 vorgeschaltete Absperrventileinrichtung 32 ist dann, wenn das Brennstoffversorgungssystem 10 nicht in Betrieb ist, geschlossen. Hierdurch wird ein unerwünschter Gasaustritt verhindert.
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Stromabwärts von der Niederdruck-Druckregeleinrichtung 30 führt die Druckleitung 18 zu einer Verteilerkammer 36, die beispielsweise als längliches Rohr ausgebildet sein kann in der Art eines typischen Kraftstoffrails, wie es von Benzin- und Diesel-Kraftstoffsystemen bekannt ist. Der in der Verteilerkammer 36 herrschende Gasdruck wird von einem Drucksensor 37 erfasst.
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An die Verteilerkammer 36 sind mehrere Injektoren 38 angeschlossen, die den gasförmigen Wasserstoff vorliegend beispielhaft in Brennräume 40 der Brennkraftmaschine direkt einblasen. Der gasförmige Wasserstoff wird in den Brennräumen 40 mit Luftsauerstoff gemischt, und dieses Gemisch wird durch eine jeweilige Zündeinrichtung 42 entzündet. Typischerweise handelt es sich bei der Brennkraftmaschine um eine 2-Takt- oder 4-Takt-Kolben-Brennkraftmaschine von einer weitgehend üblichen Bauart. Beispielsweise wird eine solche Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs eingesetzt. Sie kann aber auch beispielsweise stationär zum Antrieb eines Generators zur Stromerzeugung verwendet werden.
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Gesteuert werden das Brennstoffversorgungssystem 10 und seine Komponenten durch eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung 44, die über einen oder mehrere entsprechende Mikroprozessoren, einen Speicher für Programmcode, etc., verfügt. Diese erhält Signale unter anderem vom Temperatursensor 16, dem Drucksensor 24, dem Drucksensor 37, etc. Die Steuer- und Regeleinrichtung 44 steuert verschiedene Komponenten des Brennstoffversorgungssystems 10 an, unter anderem die Niederdruck-Druckregeleinrichtung 30 sowie die Zündeinrichtungen 42. Ferner wird auch eine Steuereinrichtung 46 von der Steuer- und Regeleinrichtung 44 angesteuert, die wiederum spezifisch den Betrieb des Brennstoffspeichers 12 steuert bzw. regelt.
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Die Niederdruck-Druckregeleinrichtung 30 ist in einer erste Ausführungsform in 2 mit einem einzigen Druckregelventil 34 gezeigt. Zu der Niederdruck-Druckregeleinrichtung 30 gehört dabei ein Gehäuse 48 mit einem einlassseitigen Anschlussstutzen 50 und einem auslassseitigen Anschlussstutzen 52. Das Gehäuse 48 integriert das Druckregelventil 34, die Absperrventileinrichtung 32 und den Niederdruck-Drucksensor 35 zu einer zusammengehörenden Baueinheit. Beim Gehäuse 48 kann es sich um einen gefrästen Aluminiumblock handeln. Bei der in 3 gezeigten Niederdruck-Druckregeleinrichtung 30, die eine zweite Ausführungsform ist, sind - entsprechend 1 - zwei Druckregelventile 34 vorhanden, die zueinander parallel geschaltet sind.
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Der ganz grundsätzliche Aufbau der Absperrventileinrichtung 32 geht aus 4 hervor. Die Absperrventileinrichtung 32 umfasst einen Einlass 54 und einen Auslass 56. Der Einlass 54 ist vorliegend beispielhaft identisch zum einlassseitigen Anschlussstutzen 50. Der Auslass 56 führt vorliegend beispielhaft zum Niederdruck-Drucksensor 35 und weiter zum Druckregelventil 34 bzw. zu den Druckregelventilen 34. Ferner gehören zu der Absperrventileinrichtung 32 zwei hydraulisch parallel zueinander angeordnete Ventile, nämlich ein erstes Ventil 58 und ein zweites Ventil 60. Beide Ventile 58 und 60 sind vorliegend als Schaltventile ausgeführt jeweils mit einer geschlossenen und einer offenen Schaltstellung.
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Das erste Ventil 58 weist ein in 4 noch nicht gezeigtes erstes Ventilelement auf, welches durch eine erste Vorspanneinrichtung 62 in Schließrichtung beaufschlagt wird, und welches durch einen ansteuerbaren Aktor 64 in Öffnungsrichtung beaufschlagbar ist. Wie weiter unten noch dargelegt werden wird, kann es sich bei dem Aktor 64 beispielsweise um einen elektromagnetischen Aktor handeln, wie er von Mengensteuerventilen zur Steuerung der Fördermenge von Kolbenpumpen bei Diesel- und Benzin-Kraftstoffsystemen bekannt ist.
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Das erste Ventilelement des ersten Ventils 58 wird ferner durch den am Einlass 54 herrschenden Fluiddruck in Schließstellung und den am Auslass 56 herrschenden Fluiddruck in Öffnungsstellung beaufschlagt, was durch entsprechende gestrichelte Linien angedeutet ist. Wie ebenfalls weiter unten noch dargelegt werden wird, ist in der Öffnungsstellung der Durchflussquerschnitt des ersten Ventils 58 relativ klein, was in 4 durch eine Drossel 66 angedeutet ist.
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Das zweite Ventil 60 weist ein in 4 ebenfalls noch nicht gezeigtes zweites Ventilelement auf, welches durch eine zweite Vorspanneinrichtung 68 in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird, und welches ebenfalls durch den am Einlass 54 herrschenden Fluiddruck in Schließrichtung und durch den am Auslass 56 herrschenden Fluiddruck in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird, was wiederum durch entsprechende gestrichelte Linien angedeutet ist. Eine Vorspannkraft F1 der ersten Vorspanneinrichtung 62 ist größer als eine Vorspannkraft F2 der zweiten Vorspanneinrichtung 68. Das zweite Ventil 60 ist mit dem ersten Ventil 58 mechanisch in Schließrichtung derart gekoppelt, dass es schließt bzw. geschlossen ist, wenn das erste Ventil 58 schließt bzw. geschlossen ist. Die Koppelung ist aber so, dass das erste Ventil 58 öffnen kann, ohne dass hierdurch das zweite Ventil 60 mechanisch in Öffnungsstellung gezwungen wird. Die mechanische Koppelung ist in 4 durch eine strichpunktierte Linie 70 angedeutet.
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Die Absperrventileinrichtung 32 funktioniert wie folgt: ist die Brennkraftmaschine nicht im Betrieb und das Brennstoffversorgungssystem 10 ausgeschaltet, ist der Aktor 64 nicht betätigt, also stromlos. Durch die Vorspannkraft F1 der ersten Vorspanneinrichtung 62 wird das erste Ventil 58 in die geschlossene Stellung gedrückt, und hierdurch wird zwingend auch das zweite Ventil 60 in die geschlossene Stellung gedrückt. Somit ist die Absperrventileinrichtung 32 insgesamt geschlossen. Am Einlass 54 herrscht der oben erwähnte beispielhafte Fluiddruck von ungefähr 40 bar, am Auslass 56 der oben erwähnte beispielhafte Fluiddruck von ungefähr 15 bar.
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Wird der Aktor 64 bestromt, wird das erste Ventilelement gegen die Vorspannkraft F1 der ersten Vorspanneinrichtung 62 und gegen die hydraulische Kraft des am Einlass 54 herrschenden Fluiddrucks geöffnet. Somit strömt Wasserstoffgas durch die Drossel 66 zum Auslass 56, wodurch dort der Druck steigt und der Druck am Einlass 54 sinkt. Durch diese sich verändernde Druckdifferenz zwischen Einlass 54 und Auslass 56 und die Vorspannkraft F2 der zweiten Vorspanneinrichtung 68 wird das zweite Ventilelement des zweiten Ventils 60 in die Öffnungsstellung gedrückt. Hierdurch wird der vergleichsweise große Öffnungsquerschnitt des zweiten Ventils 60 freigegeben, so dass nun Wasserstoffgas weitgehend ungehindert vom Einlass 54 zum Auslass 56 strömen kann. Am Auslass 56 herrscht nun ein nur geringfügig niedrigerer Druck als am Einlass 54.
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Soll die Absperrventileinrichtung 32 wieder geschlossen werden, wird die Aktivierung des Aktors 64 beendet, dieser also beispielsweise stromlos geschaltet. Aufgrund der Vorspannkraft F1 der ersten Vorspanneinrichtung 62 wird das erste Ventilelement des ersten Ventils 58 nun in die Schließstellung gedrückt. Aufgrund der mechanischen Koppelung 70 nimmt es dabei das zweite Ventilelement des zweiten Ventils 60 gegen die Vorspannkraft F2 der zweiten Vorspanneinrichtung 68 in die Schließstellung mit.
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Eine mögliche konkrete Ausführung der Absperrventileinrichtung 32 wird nun unter Bezugnahme auf die 5-7 erläutert: der Aktor 64 umfasst eine Magnetbaugruppe 72, die identisch ist zu den Magnetbaugruppen der oben erwähnten Mengensteuerventile von Benzin- und Diesel-Kraftstoffpumpen. Sie umfasst ein fluiddichtes Gehäuse 74 mit einem vorliegend beispielhaft ringförmigen Elektromagneten 76, der mit einem elektrischen Anschluss 78 verbunden ist. Ferner umfasst die Magnetbaugruppe 72 einen ringförmigen Anker 80, der mit einer Stirnseite zu einem Polkörper 81 benachbart ist. Dieser ist fest mit einem nadelartigen Ventilstößel 82 (daher auch als „Ventilnadel“ bezeichnet) verbunden, der ebenfalls weitgehend identisch zu typischen Ventilstößeln der besagten Mengensteuerventile ausgeführt sein kann.
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An dem Ventilstößel 82 ist ein Ringbund 84 vorhanden, und in ein Verbindungsstück 86, welches das Gehäuse 74 mit dem Gehäuse 48 verbindet, ist ein Gegenhalter 88 eingepresst. Die oben erwähnte erste Vorspanneinrichtung 62 ist in Form einer Spiralfeder zwischen dem Ringbund 84 und dem Gegenhalter 88 verspannt. Im Verbindungsstück 86 ist ferner eine Anschlagplatte 90 vorhanden, die mit einem Abschnitt des Ringbunds 84 so zusammenwirkt, dass hierdurch eine Bewegung des Ventilstößels 82 in den Figuren nach oben begrenzt wird.
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Auf das in den 5 und 7 untere Ende des Ventilstößels 82 ist ein topfförmiges Element 92 aufgesetzt, welches einen plattenartigen Boden 94, eine zylindrische Umfangswand 96 und einen sich vom in den Figuren oberen Rand der Umfangswand 94 nach radial außen erstreckenden Ringbund 98 umfasst. In dem plattenartigen Boden 94 ist eine vergleichsweise kleine zentrische Durchgangsöffnung 100 vorhanden. Wie aus 6 hervorgeht, sind in der zylindrische Umfangswand 96 2 diametral gegenüberliegende und in der Draufsicht im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisende Durchgangsöffnungen 102 vorhanden.
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Wie insbesondere aus 7 hervorgeht, ist eine dem Ventilstößel 82 zugewandte Ringfläche 104 des Bodens 94 leicht konisch ausgebildet, und ist eine dem Boden 94 zugewandte endseitige Stirnfläche 106 des Ventilstößels 82 leicht ballig ausgebildet. In der in den 5 und 7 gezeigten relativen Stellung des Ventilstößels 82 zum topfförmigen Element 92 liegt die Stirnfläche 106 an der Ringfläche 104 in einem Bereich knapp radial außerhalb von der zentrischen Durchgangsöffnung 100 linienhaft an.
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In das Gehäuse 48 ist ein Ventilkörper 108 eingesetzt, der gegenüber dem Gehäuse 48 vorliegend beispielhaft durch einen O-Ring 110 abgedichtet ist. In den Ventilkörper 108 ist ein Ventilsitzkörper 112 eingepresst, der gegenüber dem Ventilkörper 108 durch einen O-Ring 114 abgedichtet ist. Eine radiale Bohrung im Ventilkörper 108 bildet vorliegend beispielhaft den Einlass 54, eine axiale Bohrung im Ventilsitzkörper 112 bildet vorliegend beispielhaft den Auslass 56. Am oberen Rand der axialen Bohrung 56 im Ventilsitzkörper 112 weist dieser eine konische Schräge 116 auf, die mit einer entsprechenden konischen Schräge 118 am topfförmigen Element 92 bzw. an dessen Boden 94 zusammenwirken kann.
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Zwischen dem Ventilsitzkörper 112 und dem Ringbund 98 ist die zweite Vorspanneinrichtung 68, die vorliegend beispielhaft ebenfalls durch eine Spiralfeder gebildet wird, verspannt. Eine Bewegung des topfförmigen Elements 92 in den 5 und 7 nach oben wird durch den Ventilkörper 108 begrenzt. Während der Ventilstößel 82 aus Metall hergestellt ist, ist das topfförmige Element 92 vorliegend beispielhaft aus einem dichtenden Kunststoff hergestellt, beispielsweise einem Elastomermaterial, aus PEEK, PTFE, Vespel oder ähnlichen Dichtungswerkstoffen. Das Verbindungsstück 86 ist am Gehäuse 48 vorzugsweise verschweißt, beispielsweise durch KEEP- Schweißen oder Laserschweißen. Gleiches gilt für das Verbindungsstück 86 zum Gehäuse 48.
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Der elektrische Anschluss 78 ist vorliegend beispielhaft mit dem Gehäuse 74 vergossen.
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Der Ventilstößel 82 bildet das oben erwähnte erste Ventilelement, der Boden 94 des topfförmigen Element 92 bildet das oben erwähnte zweite Ventilelement. Durch die Innenseite der Umfangswand 96 ist das topfförmige Element 92 und mit diesem auch das zweite Ventilelement 94 im Gleitsitz auf dem ersten Ventilelement bzw. dem Ventilstößel 82 geführt. Die Ringfläche 104 am topfförmigen Element 92 bildet einen Ventilsitz für das erste Ventilelement 82. Die konische Schräge 116 am Ventilsitzkörper 112 bildet einen Ventilsitz für das zweite Ventilelement 94.
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Die in den 5-7 gezeigte Absperrventileinrichtung 32 funktioniert wie folgt: bei geschlossener Absperrventileinrichtung 32 ist der Elektromagnet 76 unbestromt. Der Ventilstößel 82 wird somit mit seiner balligen endseitigen Stirnfläche 106 von der ersten Vorspanneinrichtung 62 in den 5 und 7 nach unten gegen die konische Ringfläche 104 am Boden 94 des topfförmigen Elements 92 gedrückt, und hierdurch wird dieses wiederum mit der konischen Schräge 118 gegen die konische Schräge 116 am Ventilsitzkörper 112 gedrückt. Hierdurch wird die oben erwähnte mechanische Koppelung 70 zwischen dem ersten Ventilelement 82 des ersten Ventils 58 und dem zweiten Ventilelement 94 des zweiten Ventils 60 in Schließrichtung realisiert. Dabei ist, wie bereits im Zusammenhang mit 4 erwähnt wurde, die in Schließrichtung wirkende Vorspannkraft F1 der ersten Vorspanneinrichtung 62 größer als die in Öffnungsrichtung wirkende Vorspannkraft F2 der zweiten Vorspanneinrichtung 68.
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Wird der Elektromagnet 76 bestromt, werden der Anker 80 in den 5 und 7 nach oben und somit der mit dem Anker 80 fest verbundene Ventilstößel 82 gegen die Vorspannkraft F1 der ersten Vorspanneinrichtung 62 vom Ventilsitz 104 am zweiten Ventilelement 94 weg beaufschlagt. Somit hebt die endseitige Stirnfläche 106 vom Ventilsitz 104 ab. Dies wird auch dadurch erleichtert, dass der am Einlass 54 herrschende Fluiddruck über einen großen Bereich der endseitigen Stirnfläche 106 am Ventilstößel 82 wirken kann. In der Folge kann Wasserstoffgas vom Einlass 54 über die radialen Durchgangsöffnungen 102 und die zentrische Durchgangsöffnung 100 zum Auslass 56 strömen, wodurch der Druck am Auslass 56, wie bereits oben im Zusammenhang mit 4 erläutert wurde, ansteigt, und wodurch der Druck am Einlass 54, wie ebenfalls bereits oben erläutert wurde, sinkt.
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Hierdurch sinkt die in Schließrichtung des zweiten Ventilelements 94 wirkende Druckdifferenz zwischen der dem Ventilstößel 82 zugewandten Ringfläche 104 und der dem Auslass 56 zugewandten Ringfläche (ohne Bezugszeichen) am zweiten Ventilelement 94, bis die in Öffnungsrichtung wirkende Vorspannkraft F2 der zweiten Vorspanneinrichtung 68 ausreicht, um das zweite Ventilelement 94 mit der konischen Schräge 118 vom Ventilsitz 116 am Ventilsitzkörper 112 abzuheben. Jetzt kann das Wasserstoffgas zusätzlich auch durch den entstehenden Ringspalt zwischen dem zweiten Ventilelement 94 und dem Ventilsitzkörper 112 vom Einlass 54 zum Auslass 56 strömen.
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Währenddessen wird der Elektromagnet 76 weiterhin bestromt. Um die Absperrventileinrichtung 32 in der geöffneten Stellung zu halten, ist jedoch nur ein verringerter Haltestrom erforderlich, da der Abstand zwischen dem Anker 80 und dem Polkörper 81 (also der sogenannte Restluftspalt) durch die Bewegung des Ventilstößels 82 zusammen mit dem Anker 80 minimal geworden ist.
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Soll die Absperrventileinrichtung 32 wieder geschlossen werden, wird die Bestromung des Elektromagneten 76 beendet, wodurch der Ventilstößel 82 durch die Vorspannkraft F1 der ersten Vorspanneinrichtung 62 gegen das zweite Ventilelement 94 gedrückt und dieses hierdurch mitgenommen und schließlich gegen den Ventilsitz 116 gedrückt wird.
