DE102022211537A1

DE102022211537A1 - Proportional control valve for controlling a gaseous fuel in a fuel supply system of an internal combustion engine, pressure control unit and fuel supply system

Info

Publication number: DE102022211537A1
Application number: DE102022211537.6A
Authority: DE
Inventors: Markus Schetter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2024-05-02
Also published as: WO2024094380A1

Abstract

Ein Proportionalregelventil (32) zum Steuern eines gasförmigen Brennstoffs in einem Brennstoffversorgungssystem (10) einer Brennkraftmaschine umfasst ein Ventilelement (60) und einen Ventilsitz (74), der eine Durchlassöffnung (70) für das gasförmige Medium begrenzt. Es wird vorgeschlagen, dass das Ventilelement (60) an seinem dem Ventilsitz (74) zugewandten Ende einen Dichtabschnitt (76) aus einem Elastomermaterial umfasst, dass der Ventilsitz einen sich in Strömungsrichtung (73) des gasförmigen Mediums verjüngenden Abschnitt (74) der Durchlassöffnung (70) umfasst, und dass der Dichtabschnitt (76) bei geschlossenem Proportionalregelventil (32) eine Innenwand (86) des sich verjüngenden Abschnitts (74) der Durchlassöffnung (70) kontaktiert.A proportional control valve (32) for controlling a gaseous fuel in a fuel supply system (10) of an internal combustion engine comprises a valve element (60) and a valve seat (74) which delimits a passage opening (70) for the gaseous medium. It is proposed that the valve element (60) comprises a sealing section (76) made of an elastomer material at its end facing the valve seat (74), that the valve seat comprises a section (74) of the passage opening (70) which tapers in the flow direction (73) of the gaseous medium, and that the sealing section (76) contacts an inner wall (86) of the tapered section (74) of the passage opening (70) when the proportional control valve (32) is closed.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Proportionalregelventil zum Steuern eines gasförmigen Brennstoffs in einem Brennstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine, eine Druckregeleinheit in einem Brennstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine, sowie ein Brennstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Brennstoff, nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.The invention relates to a proportional control valve for controlling a gaseous fuel in a fuel supply system of an internal combustion engine, a pressure control unit in a fuel supply system of an internal combustion engine, and a fuel supply system for supplying an internal combustion engine with gaseous fuel, according to the preambles of the independent claims.

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-Druckregeleinheit und weiter zu einer Brennstoffverteileinrichtung, 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-Druckregeleinheit regelt den Gasdruck weiter herunter typischerweise auf einen Druck von ungefähr 15 bar. An die Brennstoffverteileinrichtung sind üblicherweise mehrere Injektoren angeschlossen, die den gasförmigen Brennstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine (H2-Direkteinspritzung) oder in eine Vorkammer einblasen (Port Fuel Injection).Internal combustion engines whose fuel is gaseous hydrogen are known on the market. Such internal combustion engines can be used, for example, to drive motor vehicles. The hydrogen can be stored in liquid form in a tank-like fuel storage unit under relatively high pressure, for example 700 bar. From there it passes through a high-pressure pressure control device to a low-pressure pressure control unit and then to a fuel distribution device, which is functionally similar to the fuel rail in an internal combustion engine with gasoline or diesel direct injection. The high-pressure pressure control device typically regulates the gas pressure down to, for example, around 40 bar, while the low-pressure pressure control unit regulates the gas pressure further down, typically to a pressure of around 15 bar. Several injectors are usually connected to the fuel distribution device, which inject the gaseous fuel directly into the combustion chambers of the internal combustion engine (H2 direct injection) or into a prechamber (port fuel injection).

Die DE 10 2017 210 367 A1 offenbart ein Proportionalregelventil, wie es in der oben beschriebenen oder als die oben beschriebene Niederdruck-Druckregeleinheit eingesetzt werden kann. Es umfasst ein Ventilelement und einen Ventilsitz, der eine Durchlassöffnung für das gasförmige Medium begrenzt. Der Ventilsitz ist an einem elastischen Dichtelement ausgebildet.The EN 10 2017 210 367 A1 discloses a proportional control valve as can be used in the low-pressure pressure control unit described above or as the low-pressure pressure control unit described above. It comprises a valve element and a valve seat which delimits a passage opening for the gaseous medium. The valve seat is formed on an elastic sealing element.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Proportionalregelventil, eine Druckregeleinheit und ein Brennstoffversorgungssystem mit den Merkmalen des jeweiligen nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen genannt.The problem underlying the invention is solved by a proportional control valve, a pressure control unit and a fuel supply system with the features of the respective independent claim. Advantageous further developments are mentioned in subclaims.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das erfindungsgemäße Proportionalregelventil sehr robust bei hohen Drücken ist. Ferner ist es unempfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen, insbesondere solchen, welche die Lagerung eines Magnetankers eines elektromagnetischen Aktors des Proportionalregelventil betreffen. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Proportionalregelventil unempfindlich gegenüber Veränderungen am Ventilsitz, die beispielsweise über die Betriebszeit des Proportionalregelventil durch Verschleiß auftreten können.An advantage of the present invention is that the proportional control valve according to the invention is very robust at high pressures. Furthermore, it is insensitive to manufacturing tolerances, in particular those that affect the bearing of a magnet armature of an electromagnetic actuator of the proportional control valve. Furthermore, the proportional control valve according to the invention is insensitive to changes in the valve seat, which can occur, for example, over the operating time of the proportional control valve due to wear.

Konkret wird dies erreicht durch ein Proportionalregelventil zum Steuern eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, in einem Brennstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine. Der gasförmige Wasserstoff kann beispielsweise zur innermotorischen Verbrennung verwendet werden. Bei der Brennkraftmaschine kann es sich um eine im Wesentlichen typische Kolben-Brennkraftmaschine handeln, wie sie beispielsweise bei Kraftfahrzeugen oder stationären Anwendungen, beispielsweise zum Antrieb von Generatoren, eingesetzt wird.Specifically, this is achieved by a proportional control valve for controlling a gaseous fuel, in particular hydrogen, in a fuel supply system of an internal combustion engine. The gaseous hydrogen can be used, for example, for internal engine combustion. The internal combustion engine can essentially be a typical piston internal combustion engine, such as those used in motor vehicles or stationary applications, for example for driving generators.

Bei einem solchen Brennstoffversorgungssystem kann der Wasserstoff beispielsweise unter relativ hohem Druck, beispielsweise 700 bar, in flüssiger Form in einem tankartigen Brennstoffspeicher gespeichert sein. Von dort kann er über eine Hochdruck-Druckregeleinrichtung zu einer Niederdruck-Druckregeleinheit und weiter zu einer Brennstoffverteileinrichtung gelangen, 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-Druckregeleinheit regelt den Gasdruck weiter herunter typischerweise auf einen Druck von ungefähr 15 bar. An die Brennstoffverteileinrichtung können beispielsweise mehrere Injektoren angeschlossen sein, die den Brennstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine (H2-Direkteinspritzung) oder in eine Vorkammer einblasen (Port Fuel Injection).In such a fuel supply system, the hydrogen can be stored in liquid form in a tank-like fuel storage unit under relatively high pressure, for example 700 bar. From there it can pass via a high-pressure pressure control device to a low-pressure pressure control unit and then to a fuel distribution device, which is functionally similar to the fuel rail in an internal combustion engine with gasoline or diesel direct injection. The high-pressure pressure control device typically regulates the gas pressure down to, for example, approximately 40 bar, while the low-pressure pressure control unit regulates the gas pressure further down, typically to a pressure of approximately 15 bar. For example, several injectors can be connected to the fuel distribution device, which inject the fuel directly into the combustion chambers of the internal combustion engine (H2 direct injection) or into a prechamber (port fuel injection).

Die gerade erwähnte Niederdruck-Druckregeleinheit (auch „HIPR“ bzw. „Hydrogen Injection Pressure Regulator“ genannt) regelt entsprechend den spezifischen Anforderungen den Druck und somit den Massen- oder Volumenstrom in der Brennstoffverteileinrichtung bzw. zu der Brennstoffverteileinrichtung. Hierzu kann die HIPR mindestens ein Proportionalregelventil umfassen oder aus einem solchen bestehen. Zu der Niederdruck-Druckregeleinheit kann noch ein Drucksensor und/oder ein Sicherheitsventil gehören. Bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine ist das Sicherheitsventil geschlossen, und das Sicherheitsventil öffnet, wenn die Brennkraftmaschine gestartet werden soll.The low-pressure pressure control unit just mentioned (also called "HIPR" or "Hydrogen Injection Pressure Regulator") regulates the pressure and thus the mass or volume flow in the fuel distribution device or to the fuel distribution device according to the specific requirements. For this purpose, the HIPR can include at least one proportional control valve or consist of one. The low-pressure pressure control unit can also include a pressure sensor and/or a safety valve. When the internal combustion engine is switched off, the safety valve is closed and the safety valve opens when the internal combustion engine is to be started.

Als Proportionalregelventil wird erfindungsgemäß ein solches vorgeschlagen, welches ein Ventilelement und einen typischerweise metallischen Ventilsitz umfasst und welches insoweit als Sitzventil ausgebildet ist. Der Ventilsitz ist typischerweise ringförmig ausgebildet, und er begrenzt eine Durchlassöffnung für das gasförmige Medium, also beispielsweise den Wasserstoff. Durch eine Beeinflussung des Abstands bzw. des Spalts zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz kann der Durchfluss des gasförmigen Mediums durch die Durchlassöffnung beeinflusst werden, und hierdurch kann der Druck beispielsweise in der Brennstoffverteileinrichtung in einer gewünschten Weise beeinflusst werden.According to the invention, a proportional control valve is proposed which has a valve valve element and a typically metallic valve seat and which is designed as a seat valve. The valve seat is typically ring-shaped and it delimits a passage opening for the gaseous medium, for example hydrogen. By influencing the distance or gap between the valve element and the valve seat, the flow of the gaseous medium through the passage opening can be influenced and the pressure in the fuel distribution device, for example, can thereby be influenced in a desired manner.

Erfindungsgemäß weist das Ventilelement des Proportionalregelventils an seinem dem Ventilsitz zugewandten Ende einen Dichtabschnitt aus einem Elastomermaterial auf. Hierzu kann der Dichtabschnitt beispielsweise an einem metallischen Dichtungsträger des Ventilelements durch Vulkanisieren befestigt sein. Der Ventilsitz umfasst einen sich in Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums verjüngenden Abschnitt der Durchlassöffnung. Die Öffnungsweite dieses Abschnitts der Durchlassöffnung nimmt also in Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums gesehen ab. Typischerweise ist zumindest der sich verjüngende Abschnitt der Durchlassöffnung aus einem Metallmaterial hergestellt.According to the invention, the valve element of the proportional control valve has a sealing section made of an elastomer material at its end facing the valve seat. For this purpose, the sealing section can be attached to a metallic seal carrier of the valve element by vulcanization, for example. The valve seat comprises a section of the passage opening that tapers in the flow direction of the gaseous medium. The opening width of this section of the passage opening therefore decreases in the flow direction of the gaseous medium. Typically, at least the tapering section of the passage opening is made of a metal material.

Der Dichtabschnitt des Ventilelements ist relativ zu dem sich verjüngenden Abschnitt der Durchlassöffnung so dimensioniert, dass er bei geschlossenem Proportionalregelventil eine Innenwand des sich verjüngenden Abschnitts der Durchlassöffnung kontaktiert. Der Dichtabschnitt des Ventilelements taucht also bei geschlossenem Proportionalregelventil zumindest in gewissem, typischerweise sehr geringem Umfang in den sich verjüngenden Abschnitt der Durchlassöffnung ein bzw. wird in den sich verjüngenden Abschnitt der Durchlassöffnung hineingedrückt.The sealing section of the valve element is dimensioned relative to the tapered section of the passage opening such that it contacts an inner wall of the tapered section of the passage opening when the proportional control valve is closed. The sealing section of the valve element therefore dips into the tapered section of the passage opening to at least a certain, typically very small extent when the proportional control valve is closed, or is pressed into the tapered section of the passage opening.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Dichtabschnitt bei geschlossenem Proportionalregelventil die Innenwand des sich verjüngenden Abschnitts der Durchlassöffnung wenigstens im Wesentlichen linienhaft kontaktiert. Dies kann durch eine entsprechende geometrische Ausgestaltung des sich verjüngenden Abschnitts der Durchlassöffnung und/oder des Dichtabschnitts erreicht werden. Auf diese Weise wird dann, wenn der Dichtabschnitt vom Ventilsitz abgehoben ist, ein definierter Ringspalt geschaffen, was die Regelcharakteristik des Proportionalregelventils positiv beeinflusst.In a further development, it is provided that the sealing section contacts the inner wall of the tapered section of the passage opening at least essentially linearly when the proportional control valve is closed. This can be achieved by a corresponding geometric design of the tapered section of the passage opening and/or the sealing section. In this way, when the sealing section is lifted off the valve seat, a defined annular gap is created, which has a positive effect on the control characteristics of the proportional control valve.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass sich der sich verjüngende Abschnitt der Durchlassöffnung konisch und somit geradlinig verjüngt. Dies ist fertigungstechnisch einfach und daher preiswert.In a further development, the tapered section of the passage opening is tapered conically and thus straight. This is simple to manufacture and therefore inexpensive.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Dichtabschnitt eine Kegelstumpfform aufweist. Dies ist fertigungstechnisch einfach und daher preiswert.In a further development, the sealing section is designed to have a truncated cone shape. This is simple to manufacture and therefore inexpensive.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Konuswinkel des Dichtabschnitts kleiner ist als ein Konuswinkel des sich verjüngenden Abschnitts der Durchlassöffnung. Auf diese Weise wird auf einfache Art der oben beschriebene vorteilhafte linienhafte Kontakt mit einem definierten Dichtkreisdurchmesser und Spalt erreicht.In a further development, it is provided that a cone angle of the sealing section is smaller than a cone angle of the tapering section of the passage opening. In this way, the advantageous linear contact described above with a defined sealing circle diameter and gap is achieved in a simple manner.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Dichtabschnitt zylindrisch ausgebildet ist. Dies ist fertigungstechnisch einfach und daher preiswert.In a further development, the sealing section is designed to be cylindrical. This is simple to manufacture and therefore inexpensive.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein dem Ventilsitz zugewandter Umfangsrand des Dichtabschnitts abgerundet ist. Dies ist im Hinblick auf den Verschleiß günstig.In a further development, a peripheral edge of the sealing section facing the valve seat is rounded. This is beneficial in terms of wear.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Dichtabschnitt zum Ventilsitz hin ballig ausgebildet ist, vorzugsweise halbkugelförmig ausgebildet ist. Hierdurch werden Fertigungstoleranzen besonders gut ausgeglichen.In a further development, the sealing section is designed to be spherical towards the valve seat, preferably hemispherical. This compensates for manufacturing tolerances particularly well.

Zu der Erfindung gehört auch eine Druckregeleinheit in einem Brennstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine zur Druckregelung eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff. Sie weist mindestens ein Proportionalregelventil der obigen Art sowie eine weitere Komponente auf. Beispielsweise kann sie zwei hydraulisch parallele Proportionalregelventile der obigen Art aufweisen, und/oder sie kann zusätzlich ein Sicherheitsventil und/oder einen Drucksensor umfassen.The invention also includes a pressure control unit in a fuel supply system of an internal combustion engine for controlling the pressure of a gaseous fuel, in particular hydrogen. It has at least one proportional control valve of the above type and a further component. For example, it can have two hydraulically parallel proportional control valves of the above type and/or it can additionally comprise a safety valve and/or a pressure sensor.

Zu der Erfindung gehört auch ein Brennstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, umfassend einen Brennstoffspeicher, mindestens ein Proportionalregelventil, eine stromabwärts von dem Proportionalregelventil angeordnete Brennstoffverteileinrichtung und mindestens einen an die Brennstoffverteileinrichtung angeschlossenen Injektor. Das Proportionalregelventil ist erfindungsgemäß entsprechend der obigen Art ausgebildet.The invention also includes a fuel supply system for supplying an internal combustion engine with gaseous fuel, in particular hydrogen, comprising a fuel reservoir, at least one proportional control valve, a fuel distribution device arranged downstream of the proportional control valve and at least one injector connected to the fuel distribution device. The proportional control valve is designed according to the invention in accordance with the above type.

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 Druckregeleinheit;
2 eine perspektivische Darstellung der Druckregeleinheit von 1 mit zwei hydraulisch parallelen Proportionalregelventilen;
3 eine perspektivische Darstellung einer alternativen Druckregeleinheit von 1 mit einem Proportionalregelventil;
4 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Proportionalregelventils der 2 oder 3;
5 einen vergrößerten Ausschnitt des Proportionalregelventils von 4;
6 eine Darstellung ähnlich zu 5 einer zweiten Ausführungsform eines Proportionalregelventils; und
7 eine Darstellung ähnlich zu 5 einer dritten Ausführungsform eines Proportionalregelventils.

Embodiments of the present invention are explained below with reference to the accompanying drawings, in which:

1 a schematic representation of a fuel supply system for supplying an internal combustion engine with gaseous fuel with a pressure control unit;
2 a perspective view of the pressure control unit of 1 with two hydraulically parallel proportional control valves;
3 a perspective view of an alternative pressure control unit from 1 with a proportional control valve;
4 a longitudinal section through a first embodiment of a proportional control valve of the 2 or 3 ;
5 an enlarged section of the proportional control valve of 4 ;
6 a representation similar to 5 a second embodiment of a proportional control valve; and
7 a representation similar to 5 a third embodiment of a proportional control valve.

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.In the following, functionally equivalent elements and areas in different figures and in different embodiments have the same reference symbols. They are normally only described in detail when they are first mentioned. In addition, for the sake of simplicity, not all reference symbols are entered in all figures.

Ein Brennstoffversorgungssystem trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es dient zur Versorgung einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Brennstoff, vorliegend beispielsweise gasförmigem Wasserstoff.A fuel supply system contributes to 1 overall the reference number 10. It serves to supply an internal combustion engine, not shown, with a gaseous fuel, in this case for example gaseous hydrogen.

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.The hydrogen is stored in liquid form under high pressure, for example approximately 700 bar, in a tank-like fuel storage unit 12. This can be filled via a filling connection 14. An integrated unit 16 comprising a tank valve for filling and dispensing hydrogen into or out of the fuel storage unit 12 and a temperature sensor for detecting the temperature of the gaseous hydrogen coming from the fuel storage unit 12 is also arranged on the fuel storage unit 12.

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-Druckregeleinheit 30.The gaseous hydrogen first reaches a filter 20 via a pressure line 18 and from there to a high-pressure pressure control device 22. This reduces the pressure of the gaseous hydrogen to a pressure in the range of 40 bar, for example. The pressure line 18 leads from the high-pressure pressure control device 22 to a pressure sensor 24, another filter 26 and an optional temperature control device 28 and finally to a low-pressure pressure control unit 30.

Die Niederdruck-Druckregeleinheit 30 umfasst vorliegend beispielhaft zwei hydraulisch parallele Druckregelventile 32, einen Niederdruck-Drucksensor 34 und ein Sicherheitsventil in Form einer Absperrventileinrichtung 36. Die beiden Druckregelventile 32 sind identisch aufgebaut und sind vorliegend Proportionalregelventile. Durch die Niederdruck-Druckregeleinheit 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.The low-pressure pressure control unit 30 comprises, for example, two hydraulically parallel pressure control valves 32, a low-pressure pressure sensor 34 and a safety valve in the form of a shut-off valve device 36. The two pressure control valves 32 are identically constructed and are proportional control valves. The low-pressure pressure control unit 30 reduces the pressure in the pressure line 18 again from the inlet-side pressure of approximately 40 bar to a pressure of approximately 15 bar, for example.

Stromabwärts von der Niederdruck-Druckregeleinheit 30 führt die Druckleitung 18 zu einer Brennstoffverteileinrichtung 38, 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 Brennstoffverteileinrichtung 38 herrschende Gasdruck wird von einem Drucksensor 40 erfasst.Downstream of the low-pressure pressure control unit 30, the pressure line 18 leads to a fuel distribution device 38, which can be designed, for example, as an elongated pipe in the manner of a typical fuel rail, as is known from gasoline and diesel fuel systems. The gas pressure prevailing in the fuel distribution device 38 is detected by a pressure sensor 40.

An die Brennstoffverteileinrichtung 38 sind mehrere Injektoren 42 angeschlossen, die den gasförmigen Wasserstoff vorliegend beispielhaft in Brennräume 44 der Brennkraftmaschine direkt einblasen. Der gasförmige Wasserstoff wird in den Brennräumen 44 mit Luftsauerstoff gemischt, und dieses Gemisch wird durch eine jeweilige Zündeinrichtung 46 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.Several injectors 42 are connected to the fuel distribution device 38, which in this case blow the gaseous hydrogen directly into combustion chambers 44 of the internal combustion engine. The gaseous hydrogen is mixed with atmospheric oxygen in the combustion chambers 44, and this mixture is ignited by a respective ignition device 46. The internal combustion engine is typically a 2-stroke or 4-stroke piston internal combustion engine of a largely conventional design. For example, such an internal combustion engine is used to drive a motor vehicle. However, it can also be used stationary, for example, to drive a generator to generate electricity.

Gesteuert werden das Brennstoffversorgungssystem 10 und seine Komponenten durch eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung 48, 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 40, etc. Die Steuer- und Regeleinrichtung 48 steuert verschiedene Komponenten des Brennstoffversorgungssystems 10 an, unter anderem die Niederdruck-Druckregeleinrichtung 30, dass Sicherheitsventil 36 sowie die Zündeinrichtungen 46. Ferner wird auch eine Steuereinrichtung 50 von der Steuer- und Regeleinrichtung 48 angesteuert, die wiederum spezifisch den Betrieb des Brennstoffspeichers 12 steuert bzw. regelt.The fuel supply system 10 and its components are controlled by an electronic control and regulating device 48, which has one or more corresponding microprocessors, a memory for program code, etc. This receives signals from, among others, the temperature sensor 16, the pressure sensor 24, the pressure sensor 40, etc. The control and regulating device 48 controls various components of the fuel supply system 10, including the low-pressure pressure control device 30, the safety valve 36 and the ignition devices 46. Furthermore, a control device 50 is also controlled by the control and regulating device 48, which in turn specifically controls or regulates the operation of the fuel storage device 12.

In 2 ist die Niederdruck-Druckregeleinheit 30 stärker im Detail gezeichnet. Sie umfasst einen Gehäuseblock 51 mit einem einlassseitigen Anschluss 52 und einem auslassseitigen Anschluss 53. Der auslassseitige Anschluss 53 führt zur Brennstoffverteileinrichtung 38. Man erkennt, dass die Niederdruck-Druckregeleinheit 30 eine integrierte Baueinheit bildet. Diese wird auch als HIPR (Hydrogen Injection Pressure Regulator) bezeichnet. Alternativ zu der Ausführung von 2, bei der die Niederdruck-Druckregeleinheit 30 zwei hydraulisch parallel geschaltete Proportionalregelventile 32 umfasst, kann gemäß 3 die Niederdruck-Druckregeleinheit 30 auch nur ein einziges Proportionalregelventil 32 umfassen.In 2 the low-pressure pressure control unit 30 is shown in more detail. It comprises a housing block 51 with an inlet-side connection 52 and an outlet-side connection 53. The outlet-side connection 53 leads to the combustion material distribution device 38. It can be seen that the low-pressure pressure control unit 30 forms an integrated unit. This is also referred to as HIPR (Hydrogen Injection Pressure Regulator). As an alternative to the design of 2 , in which the low-pressure pressure control unit 30 comprises two hydraulically parallel-connected proportional control valves 32, can be 3 the low-pressure pressure control unit 30 may also comprise only a single proportional control valve 32.

Nun wird unter Bezugnahme auf die 4 und 5 eine erste Ausführungsform eines Proportionalregelventils 32 stärker im Detail erläutert. Das Proportionalregelventil 32 umfasst ein Ventilgehäuse 54. Dieses enthält in seinem in 4 oberen Bereich einen elektromagnetischen Aktor 56 mit einer Magnetspule 58. In dem Ventilgehäuse 54 ist ein Ventilelement 60 geführt, welches vorliegend eine längliche zylindrische Gestalt mit Abschnitten mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist. Ein Abschnitt mit relativ großem Durchmesser bildet einen Magnetanker 62. Zwischen dem Ventilelement 60 und dem Ventilgehäuse 54 ist eine Ventilfeder 64 verspannt, die das Ventilelement 60 in den Figuren nach unten beaufschlagt.Now, with reference to the 4 and 5 a first embodiment of a proportional control valve 32 is explained in more detail. The proportional control valve 32 comprises a valve housing 54. This contains in its 4 upper area an electromagnetic actuator 56 with a magnetic coil 58. A valve element 60 is guided in the valve housing 54, which in this case has an elongated cylindrical shape with sections of different diameters. A section with a relatively large diameter forms a magnet armature 62. A valve spring 64 is clamped between the valve element 60 and the valve housing 54, which acts on the valve element 60 downwards in the figures.

Das Ventilgehäuse 54 weist einen seitlichen Fluideinlass 66 auf. An seinem in den Figuren unteren Bereich ist es mit einem metallischen Ventilsitzkörper 68 verbunden, in dem eine zum Ventilgehäuse 54 und zum Ventilelement 60 koaxiale Durchlassöffnung 70 vorhanden ist. Diese gehört zu einem Fluidauslass 72. Die Durchlassöffnung 70 weist in ihrem in den Figuren oberen und dem Ventilelement 60 zugewandten Bereich einen sich von oben nach unten und in einer Strömungsrichtung (Pfeil 73) des gasförmigen Mediums bzw. Brennstoffs, also des Wasserstoffs, konisch verjüngenden Abschnitt 74 auf, der, wie hiernach noch ausgeführt werden wird, einen Ventilsitz für das Ventilelement 60 bildet.The valve housing 54 has a lateral fluid inlet 66. In its lower region in the figures, it is connected to a metallic valve seat body 68 in which there is a passage opening 70 coaxial with the valve housing 54 and the valve element 60. This belongs to a fluid outlet 72. The passage opening 70 has, in its upper region in the figures and facing the valve element 60, a section 74 which tapers conically from top to bottom and in a flow direction (arrow 73) of the gaseous medium or fuel, i.e. the hydrogen, which, as will be explained below, forms a valve seat for the valve element 60.

Das Ventilelement 60 weist an seinem dem sich verjüngenden Abschnitt bzw. Ventilsitz 74 zugewandten Ende einen Dichtabschnitt 76 aus einem Elastomermaterial auf, der vorliegend beispielhaft Kegelstumpfform aufweist. Ein Konuswinkel 78 (5) des Dichtabschnitts 76 ist dabei kleiner als ein Konuswinkel 80 des sich verjüngenden Abschnitts 74 der Durchlassöffnung 70. Der Dichtabschnitt 76 ist durch Vulkanisieren an einem metallischen Dichtungsträger 82 des Ventilelements 60 befestigt. Man erkennt insbesondere aus 5, dass in der dort gezeigten geschlossenen Stellung des Proportionalregelventils 32 aufgrund der unterschiedlichen Konuswinkel 78 und 80 ein in den Figuren unterer umlaufender Umfangsrand 84 des Dichtabschnitts 76 eine Innenwand 86 des sich verjüngenden Abschnitts 74 der Durchlassöffnung 70 linienhaft kontaktiert.The valve element 60 has at its end facing the tapered section or valve seat 74 a sealing section 76 made of an elastomer material, which in the present case has, for example, a truncated cone shape. A cone angle 78 ( 5 ) of the sealing section 76 is smaller than a cone angle 80 of the tapered section 74 of the passage opening 70. The sealing section 76 is attached to a metallic seal carrier 82 of the valve element 60 by vulcanization. It can be seen in particular from 5 that in the closed position of the proportional control valve 32 shown there, due to the different cone angles 78 and 80, a lower peripheral edge 84 of the sealing section 76 in the figures contacts an inner wall 86 of the tapering section 74 of the passage opening 70 in a linear manner.

Das Proportionalregelventil 32 arbeitet folgendermaßen: ist die Magnetspule 58 nicht bestromt, wird das Ventilelement 60 mit dem Umfangsrand 84 des Dichtabschnitts 76 durch die Ventilfeder 64 gegen die Innenwand 86 des sich verjüngenden Abschnitts 74 der Durchlassöffnung 70 gedrückt. Hierbei taucht der Dichtabschnitt 76 etwas in den Abschnitt 74 der Durchlassöffnung 70 ein. Wird die Magnetspule 58 bestromt, wird das Ventilelement 60 gegen die Kraft der Ventilfeder 64 in den Figuren nach oben bewegt, wodurch der Umfangsand 84 des Dichtabschnitts 76 von der Innenwand 86 des sich verjüngenden Abschnitts 74 der Durchlassöffnung 70 abhebt. Hierdurch entsteht ein Ringspalt zwischen dem Umfangsrand 84 und der Innenwand 86, durch den gasförmiges Medium bzw. Wasserstoff entsprechend der Strömungsrichtung 73 vom Fluideinlass 66 zum Fluidauslass 72 strömen kann. Über die Stärke der Bestromung der Magnetspule 58 kann die Größe des Ringspaltes und somit die Menge des strömenden Mediums und damit letztlich der Druck in der Brennstoffverteileinrichtung 38 beeinflusst werden.The proportional control valve 32 works as follows: if the solenoid coil 58 is not energized, the valve element 60 with the peripheral edge 84 of the sealing section 76 is pressed by the valve spring 64 against the inner wall 86 of the tapered section 74 of the passage opening 70. The sealing section 76 dips slightly into the section 74 of the passage opening 70. If the solenoid coil 58 is energized, the valve element 60 is moved upwards in the figures against the force of the valve spring 64, as a result of which the peripheral edge 84 of the sealing section 76 lifts off the inner wall 86 of the tapered section 74 of the passage opening 70. This creates an annular gap between the peripheral edge 84 and the inner wall 86, through which gaseous medium or hydrogen can flow from the fluid inlet 66 to the fluid outlet 72 in accordance with the flow direction 73. The strength of the current supply to the magnetic coil 58 can influence the size of the annular gap and thus the amount of flowing medium and thus ultimately the pressure in the fuel distribution device 38.

Die alternative Ausführungsform des Proportionalregelventil 32 von 6 unterscheidet sich von jener der 4 und 5 durch die Form des Dichtabschnitts 76. Dieser ist in 6 nicht kegelstumpfförmig, sondern zylindrisch mit einem dem Ventilsitz 74 zugewandten abgerundeten Umfangsrand 84.The alternative embodiment of the proportional control valve 32 of 6 differs from that of the 4 and 5 by the shape of the sealing section 76. This is in 6 not frustoconical, but cylindrical with a rounded peripheral edge 84 facing the valve seat 74.

Auch die alternative Ausführungsform des Proportionalregelventil 32 von 7 unterscheidet sich von jener der 4 und 5 durch die Form des Dichtabschnitts 76. Dieser ist in 7 zum Ventilsitz 74 hin ballig ausgebildet.The alternative embodiment of the proportional control valve 32 of 7 differs from that of the 4 and 5 by the shape of the sealing section 76. This is in 7 convex towards the valve seat 74.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102017210367 A1 [0003]

Claims

Proportional control valve (32) for controlling a gaseous fuel, in particular hydrogen, in a fuel supply system (10) of an internal combustion engine, with a valve element (60) and a valve seat (74) which delimits a passage opening (70) for the gaseous medium, characterized in that the valve element (60) comprises a sealing section (76) made of an elastomer material at its end facing the valve seat (74), that the valve seat comprises a section (74) of the passage opening (70) which tapers in the flow direction (73) of the gaseous medium, and that the sealing section (76) contacts an inner wall (86) of the tapered section (74) of the passage opening (70) when the proportional control valve (32) is closed.

Proportional control valve (32) according to Claim 1 , characterized in that the sealing section (76) contacts the inner wall (86) of the tapering section (74) of the passage opening (70) at least substantially linearly when the proportional control valve (32) is closed.

Proportional control valve (32) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the tapering portion (74) of the passage opening (70) tapers conically.

Proportional control valve (32) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sealing section (76) has a truncated cone shape.

Proportional control valve (32) according to Claims 3 and 4 , characterized in that a cone angle (78) of the sealing portion (76) is smaller than a cone angle (80) of the tapered portion (74) of the passage opening (70).

Proportional control valve (32) according to at least one of the Claims 1 - 3 , characterized in that the sealing portion (76) is cylindrical.

Proportional control valve (32) according to Claim 6 , characterized in that a peripheral edge (84) of the sealing portion (76) facing the valve seat (74) is rounded.

Proportional control valve (32) according to at least one of the Claims 1 - 3 , characterized in that the sealing section (76) is spherical towards the valve seat (74), preferably hemispherical.

Pressure control unit (30) in a fuel supply system (10) of an internal combustion engine for controlling the pressure of a gaseous fuel, in particular hydrogen, characterized in that it comprises at least one proportional control valve (32) according to at least one of the preceding claims and a further component (32, 34, 36).

Fuel supply system (10) for supplying an internal combustion engine with gaseous fuel, in particular hydrogen, comprising a fuel reservoir (12), at least one proportional control valve (32), a fuel distribution device (38) arranged downstream of the proportional control valve (32) and at least one injector (42) connected to the fuel distribution device (38), characterized in that the proportional control valve (32) is designed according to at least one of the Claims 1 - 8th is trained.