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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffverteileinrichtung und ein Brennstoffversorgungssystem nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
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Vom Markt her ist ein Brennstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, grundsätzlich bekannt. Eine solche Brennkraftmaschine kann 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 Brennstoffverteileinrichtung, die funktional ähnlich ist wie das bekannte Kraftstoffrail bei einer Brennkraftmaschine mit Benzin- oder Diesel-Direkteinspritzung. Die Hochdruck-Druckregeleinrichtung regelt den Gasdruck typischerweise herunter auf beispielsweise ungefähr 40-50 bar, die Niederdruck-Druckregeleinrichtung regelt den Gasdruck weiter herunter typischerweise auf einen Druck von ungefähr 10-20 bar. An die Brennstoffverteileinrichtung sind üblicherweise ein Injektor oder 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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Zu dem Brennstoffversorgungssystem gehört typischerweise 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 Brennstoffverteileinrichtung bzw. aus den Injektoren verhindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Brennstoffverteileinrichtung und ein Brennstoffversorgungssystem mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen genannt.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffverteileinrichtung besteht darin, dass die Ventileinrichtung genau dort angeordnet ist, wo die Ventileinrichtung ihre Funktion entfalten soll. Unerwünschte Totvolumina werden auf diese Weise vermieden oder zumindest reduziert. Insbesondere dann, wenn die Ventileinrichtung eine Absperrventileinrichtung ist, wird das Gasvolumen, welches bei einem eine Leckage aufweisenden Injektor oder einer eine Leckage aufweisenden Verteilerkammer ungewollt austreten kann, reduziert.
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Konkret wird dies realisiert durch eine Brennstoffverteileinrichtung für ein Brennstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Brennstoff. 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 Brennstoffverteileinrichtung gelangen, die funktional ähnlich ist wie das Kraftstoffrail bei einer Brennkraftmaschine mit Benzin- oder Diesel-Direkteinspritzung. Die Brennstoffverteileinrichtung umfasst typischerweise einen ersten Anschluss oder mehrere erste Anschlüsse, an den bzw. die jeweils ein Injektor angeschlossen ist. Die Injektoren blasen den Brennstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine (H2-Direkteinspritzung) oder in eine Vorkammer ein (Port Fuel Injection).
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Ferner umfasst die Brennstoffverteileinrichtung einen zweiten Anschluss, an den eine Zuführleitung zum Zuführen von gasförmigem Brennstoff in die Brennstoffverteileinrichtung angeschlossen ist. Zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss ist fluidisch eine Verteilerkammer angeordnet, in der ein Gasvolumen unter einem gewünschten Druck gespeichert ist. Der erste Anschluss bzw. die ersten Anschlüsse ist/sind typischerweise im Bereich der Verteilerkammer angeordnet.
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Die Hochdruck-Druckregeleinrichtung regelt den Gasdruck typischerweise herunter auf beispielsweise ungefähr 40-50 bar, die Niederdruck-Druckregeleinrichtung regelt den Gasdruck weiter herunter typischerweise auf einen Druck von ungefähr 10-20 bar. Die Niederdruck-Druckregeleinrichtung (HIPR) regelt entsprechend den spezifischen Anforderungen den Druck und somit den Massen- oder Volumenstrom in der Verteilerkammer bzw. zu der Verteilerkammer der Brennstoffverteileinrichtung. Hierzu kann das HIPR mindestens ein Druckregelventil, typischerweise ein Proportionalventil umfassen.
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Erfindungsgemäß umfasst die Brennstoffverteileinrichtung eine Ventileinrichtung, insbesondere eine Absperrventileinrichtung, die fluidisch zwischen dem zweiten Anschluss und der Verteilerkammer angeordnet ist. Somit beeinflusst die Ventileinrichtung funktional die Verhältnisse unmittelbar in der Verteilerkammer der Brennstoffverteileinrichtung.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zweite Anschluss im Bereich der Ventileinrichtung oder an der Ventileinrichtung ausgebildet ist. Dies vereinfacht den konstruktiven Aufbau der Brennstoffverteileinrichtung und minimiert jenes Gasvolumen in der Brennstoffverteileinrichtung, welches stromaufwärts von der Ventileinrichtung angeordnet ist und insoweit funktional von der Ventileinrichtung nicht beeinflusst werden kann.
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Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass die Brennstoffverteileinrichtung einen Adapterabschnitt aufweist, der umfasst: einen ersten Bereich, der fluidisch mit der Verteilerkammer verbunden ist, einen zweiten Bereich, der den zweiten Anschluss umfasst, und einen dritten Bereich, an dem ein Gehäuse der Ventileinrichtung befestigt ist. Dies ermöglicht es, eine bekannte Ventileinrichtung ohne größere Änderungen zu verwenden, wodurch erhebliche Kosten gespart werden können. Der Adapterabschnitt selbst kann dabei vergleichsweise preiswert hergestellt werden. Handelt es sich bei der Ventileinrichtung beispielsweise um eine Absperrventileinrichtung, kann diese in erheblichem Umfang durch Komponenten eines bekannten Mengensteuerventils realisiert werden, wie es bei Kraftstoff-Hochdruckpumpen vom Markt her bekannt ist. Ein solches Mengensteuerventil umfasst typischerweise eine Magnetbaugruppe mit einem Aktor, der, wenn es bei einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe eingesetzt wird, ein als Rückschlagventil ausgebildetes Einlassventil der Kraftstoff-Hochdruckpumpe zeitweise in der geöffneten Stellung blockieren kann. Beispielsweise kann eine Magnetbaugruppe eines solchen Mengensteuerventils mit seinem Gehäuse weitgehend unverändert übernommen und an dem Adapterabschnitt befestigt werden.
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Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass der zweite Anschluss und ein elektrischer Anschluss der Ventileinrichtung wenigstens in etwa parallel zueinander angeordnet sind. Zeigen der zweite Anschluss und der elektrische Anschluss dabei im Wesentlichen in die gleiche Richtung, wird die Montage vereinfacht. Zeigen der elektrische Anschluss und der zweite Anschluss dagegen im Wesentlichen in diametral entgegengesetzte Richtungen, kann unter Umständen die Betriebssicherheit erhöht werden.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Ventilsitz für ein Ventilelement der Ventileinrichtung an einem Gehäuse der Brennstoffverteileinrichtung angeordnet ist. Somit kann ein separater Ventilsitz an der Ventileinrichtung entfallen. Hierdurch wird der Aufbau der Brennstoffverteileinrichtung nochmals vereinfacht, wodurch nochmals Kosten gespart werden können. Dies gilt insbesondere für jenen bereits oben beschriebenen Fall, bei dem ein Adapterabschnitt zur Kopplung der Ventileinrichtung vorgesehen ist. In diesem Fall könnte der Ventilsitz am Adapterabschnitt vorhanden sein. Funktional wäre der Adapterabschnitt dann dem Gehäuse der Brennstoffverteileinrichtung zugeordnet.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass sie ein längliches , beispielsweise ein rohrförmiges Gehäuse umfasst, und dass die Ventileinrichtung an einem axialen Endbereich des Gehäuses angeordnet ist. Dies vereinfacht sowohl die Montage der Ventileinrichtung als auch den Anschluss der Injektoren.
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Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass mindestens ein Bereich der Ventileinrichtung in einer sich parallel zu einer Längsachse des Gehäuses erstreckenden Öffnung des Gehäuses angeordnet ist. Auf diese Weise wird die Fertigung der Brennstoffverteileinrichtung vereinfacht, was nochmals Kosten spart. Insbesondere kann in diesem Fall die Ventileinrichtung zumindest mittelbar an einer Stirnfläche eines Gehäuses der Brennstoffverteileinrichtung befestigt, beispielsweise verschraubt werden.
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Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass eine Längsachse eines Ventilelements der Ventileinrichtung parallel zu der Längsachse des Gehäuses der Brennstoffverteileinrichtung verläuft. Auch dies vereinfacht die Herstellung der Brennstoffverteileinrichtung, und darüber hinaus werden hierdurch die radialen Abmessungen der Brennstoffverteileinrichtung gering gehalten.
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Zu der Erfindung gehört auch ein Brennstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Brennstoff, umfassend einen Brennstoffspeicher, mindestens eine Druckregeleinrichtung, eine stromabwärts von der Druckregeleinrichtung angeordnete Brennstoffverteileinrichtung und mindestens einen an die Brennstoffverteileinrichtung angeschlossenen Injektor. Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungssystem ist die Brennstoffverteileinrichtung in der oben beschriebenen Art ausgebildet.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffversorgungssystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Brennstoff unter anderem mit einer Brennstoffverteileinrichtung und einer Absperrventileinrichtung;
- 2 eine perspektivische Darstellung der Brennstoffverteileinrichtung und der Absperrventileinrichtung von 1;
- 3 eine Seitenansicht auf die Brennstoffverteileinrichtung und die Absperrventileinrichtung von 1;
- 4 einen Längsschnitt durch die Brennstoffverteileinrichtung und die Absperrventileinrichtung von 1;
- 5 ein hydraulisches Ersatzschaltbild der Absperrventileinrichtung von 1;
- 6 eine perspektivische Darstellung eines axialen Endbereichs der Brennstoffverteileinrichtung von 1 mit der Absperrventileinrichtung; und
- 7 einen Längsschnitt durch den axialen Endbereich von 5.
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Nachfolgend tragen funktionsäquivalente Elemente und Bereiche in unterschiedlichen Figuren die gleichen Bezugszeichen. Sie werden im Normalfall nur bei der ersten Erwähnung im Detail beschrieben. Darüber hinaus sind aus Gründen der Vereinfachung möglicherweise 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. 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 40-50, insbesondere ungefähr 44 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 beispielhaft zwei hydraulisch parallele Druckregelventile 34 und einen Niederdruck-Drucksensor 36. 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 40-50 bar auf einen Druck beispielsweise von ungefähr 10-20 bar, insbesondere von ungefähr 15 bar.
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Stromabwärts von der Niederdruck-Druckregeleinrichtung 30 führt die Druckleitung 18 zu einer kombinierten Absperrventileinrichtung 37 mit Brennstoffverteileinrichtung 38, die insgesamt 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.
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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.
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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 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.
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Nun wird unter Bezugnahme auf die 2-4 die Brennstoffverteileinrichtung 38 stärker im Detail erläutert. Sie umfasst ein insgesamt rohrförmiges Gehäuse 52 mit einer Längsachse 54, einem Zentralabschnitt 55 und vorliegend beispielhaft insgesamt sechs ersten Anschlüssen 56, wobei an jeden ersten Anschluss 56 ein Injektor 42 angeschlossen werden kann. Die ersten Anschlüsse 56 sind vorliegend als Schraubstutzen ausgebildet, die sich orthogonal zur Längsachse 54 in radialer Richtung erstrecken. Der Drucksensor 40 ist am in den Figuren rechten axialen Ende am Gehäuse 52 angeordnet.
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Die Brennstoffverteileinrichtung 38 umfasst ferner einen zweiten Anschluss 58, an den die Druckleitung 18 zum Zuführen des gasförmigen Brennstoffs in die Brennstoffverteileinrichtung 38 angeschlossen werden kann. Der zweite Anschluss 58 ist vorliegend an einem Adapterabschnitt 60 des Gehäuses 52 angeordnet, und er erstreckt sich vorliegend beispielhaft ebenfalls orthogonal zur Längsachse 54 in radialer Richtung zum rohrförmigen Gehäuse 52 und parallel zu den ersten Anschlüssen 56. Der Adapterabschnitt 60 bildet einen axialen Endbereich des Gehäuses 52. Er ist mit einer axialen Stirnfläche des Zentralabschnitts 55 verschraubt.
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Wie weiter unten noch stärker im Detail ausgeführt werden wird, ist die Absperrventileinrichtung 37 am Adapterabschnitt 60 des Gehäuses 52 und somit an dessen axialem Endbereich angeordnet, und somit ist der zweite Anschluss 58 im Bereich der Absperrventileinrichtung 37 ausgebildet. Ein elektrischer Anschluss 62 der Absperrventileinrichtung 37 ist vorliegend parallel zum zweiten Anschluss 58 angeordnet, und er erstreckt sich vorliegend in die gleiche Richtung wie der zweite Anschluss 58. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann sich der elektrische Anschluss auch diametral entgegengesetzt zum zweiten Anschluss erstrecken.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, erstreckt sich in dem rohrförmigen Gehäuse 52 parallel bzw. koaxial zur Längsachse 54 eine insgesamt im Wesentlichen zylindrische Verteilerkammer 64. Diese ist fluidisch zwischen den ersten Anschlüssen 56 und dem zweiten Anschluss 58 angeordnet. Wie weiter unten noch erläutert werden wird, ist die Absperrventileinrichtung 37 wiederum fluidisch zwischen dem zweiten Anschluss 58 und der Verteilerkammer 64 angeordnet. Auf diese Weise kann die Absperrventileinrichtung 37 die Verteilerkammer 64 vom zweiten Anschluss 58 trennen. Bei einer Leckage beispielsweise an einem der Injektoren 42 oder/und der Verteilerkammer 64 kann so ein unerwünschter Austritt von Gas von der Druckleitung 18 her verhindert werden.
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Nun werden die Anordnung und die Ausgestaltung der Absperrventileinrichtung 37 unter Bezugnahme auf die 5-7 stärker im Detail erläutert. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die konstruktive Ausgestaltung der Absperrventileinrichtung 37 vorliegend lediglich beispielhaft zu verstehen ist. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen kann die Absperrventileinrichtung 37 konstruktiv anders sein. Typischerweise ist sie jedoch stromlos geschlossen und so ausgestaltet, dass zum Offenhalten nur vergleichsweise wenig elektrische Energie erforderlich ist.
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Der ganz grundsätzliche hydraulische Aufbau der Absperrventileinrichtung 37 geht aus 5 hervor. Die Absperrventileinrichtung 32 umfasst einen Einlass 66 und einen Auslass 68. Der Einlass 66 ist vorliegend beispielhaft identisch zum zweiten Anschluss 58. Der Auslass 68 führt zur Verteilerkammer 64. Ferner gehören zu der Absperrventileinrichtung 37 zwei hydraulisch parallel zueinander angeordnete Ventile, nämlich ein erstes Ventil 70 und ein zweites Ventil 72.
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Beide Ventile 70 und 72 sind vorliegend als Schaltventile ausgeführt jeweils mit einer geschlossenen und einer offenen Schaltstellung.
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Das erste Ventil 70 weist ein in 5 noch nicht gezeigtes erstes Ventilelement auf, welches durch eine erste Vorspanneinrichtung 74 in Schließrichtung beaufschlagt wird, und welches durch einen ansteuerbaren Aktor 76 in Öffnungsrichtung beaufschlagbar ist. Wie weiter unten noch dargelegt werden wird, kann es sich bei dem Aktor 76 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 70 wird ferner durch den am Einlass 66 herrschenden Fluiddruck in Schließstellung und den am Auslass 68 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 70 relativ klein, was in 5 durch eine Drossel 78 angedeutet ist.
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Das zweite Ventil 72 weist ein in 5 ebenfalls noch nicht gezeigtes zweites Ventilelement auf, welches durch eine zweite Vorspanneinrichtung 80 in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird, und welches ebenfalls durch den am Einlass 66 herrschenden Fluiddruck in Schließrichtung und durch den am Auslass 68 herrschenden Fluiddruck in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird, was wiederum durch entsprechende gestrichelte Linien angedeutet ist. Eine Vorspannkraft F1 der ersten Vorspanneinrichtung 74 ist größer als eine Vorspannkraft F2 der zweiten Vorspanneinrichtung 80. Das zweite Ventil 72 ist mit dem ersten Ventil 70 mechanisch in Schließrichtung derart gekoppelt, dass es schließt bzw. geschlossen ist, wenn das erste Ventil 70 schließt bzw. geschlossen ist. Die Koppelung ist aber so, dass das erste Ventil 70 öffnen kann, ohne dass hierdurch das zweite Ventil 72 mechanisch in Öffnungsstellung gezwungen wird. Die mechanische Koppelung ist in 5 durch eine strichpunktierte Linie 82 angedeutet.
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Die Absperrventileinrichtung 37 funktioniert wie folgt: ist die Brennkraftmaschine nicht im Betrieb und das Brennstoffversorgungssystem 10 ausgeschaltet, ist der Aktor 76 nicht betätigt, also stromlos. Durch die Vorspannkraft F1 der ersten Vorspanneinrichtung 74 wird das erste Ventil 70 in die geschlossene Stellung gedrückt, und hierdurch wird zwingend auch das zweite Ventil 72 in die geschlossene Stellung gedrückt. Somit ist die Absperrventileinrichtung 37 insgesamt geschlossen, und die Verteilerkammer 64 ist vom zweiten Anschluss 58 getrennt. Am Einlass 68 herrscht der oben erwähnte beispielhafte Fluiddruck von ungefähr 15 bar.
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Wird der Aktor 76 bestromt, wird das erste Ventilelement gegen die Vorspannkraft F1 der ersten Vorspanneinrichtung 74 und gegen die hydraulische Kraft des am Einlass 66 herrschenden Fluiddrucks geöffnet. Somit strömt Wasserstoffgas durch die Drossel 78 zum Auslass 68, wodurch dort der Druck steigt und der Druck am Einlass 66 sinkt. Durch diese sich verändernde Druckdifferenz zwischen Einlass 66 und Auslass 68 und die Vorspannkraft F2 der zweiten Vorspanneinrichtung 80 wird das zweite Ventilelement des zweiten Ventils 72 in die Öffnungsstellung gedrückt. Hierdurch wird der vergleichsweise große Öffnungsquerschnitt des zweiten Ventils 72 freigegeben, so dass nun Wasserstoffgas weitgehend ungehindert vom Einlass 66 zum Auslass 68 strömen kann. Am Auslass 68 herrscht nun ein nur geringfügig niedrigerer Druck als am Einlass 66.
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Soll die Absperrventileinrichtung 37 wieder geschlossen werden, wird die Aktivierung des Aktors 76 beendet, dieser also beispielsweise stromlos geschaltet. Aufgrund der Vorspannkraft F1 der ersten Vorspanneinrichtung 74 wird das erste Ventilelement des ersten Ventils 70 nun in die Schließstellung gedrückt. Aufgrund der mechanischen Koppelung 82 nimmt es dabei das zweite Ventilelement des zweiten Ventils 72 gegen die Vorspannkraft F2 der zweiten Vorspanneinrichtung 80 in die Schließstellung mit.
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Eine mögliche konkrete Ausführung der Absperrventileinrichtung 37 wird nun unter Bezugnahme auf die 6 und 7 erläutert: der Aktor 78 umfasst eine Magnetbaugruppe 84, die identisch ist zu den Magnetbaugruppen der oben erwähnten Mengensteuerventile von Benzin- und Diesel-Kraftstoffpumpen. Sie umfasst ein fluiddichtes Gehäuse 86 mit einem vorliegend beispielhaft ringförmigen Elektromagneten 88, der mit dem elektrischen Anschluss 62 verbunden ist. Ferner umfasst die Magnetbaugruppe 84 einen ringförmigen Anker 92, der mit einer Stirnseite zu einem Polkörper 93 benachbart ist. Dieser ist fest mit einem nadelartigen Ventilstößel 94 (daher auch als „Ventilnadel“ bezeichnet) verbunden, der ebenfalls sehr ähnlich zu typischen Ventilstößeln der besagten Mengensteuerventile ausgeführt sein kann.
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An dem Ventilstößel 94 ist ein Ringbund 96 vorhanden, und in ein Verbindungsstück 98, welches das Gehäuse 86 mit dem Adapterabschnitt 60 verbindet, ist ein Gegenhalter 100 eingepresst. Die oben erwähnte erste Vorspanneinrichtung 74 ist in Form einer Spiralfeder zwischen dem Ringbund 96 und dem Gegenhalter 100 verspannt. Im Verbindungsstück 98 ist ferner eine Anschlagplatte 102 vorhanden, die mit einem Abschnitt des Ringbunds 96 so zusammenwirkt, dass hierdurch eine Bewegung des Ventilstößels 94 in 7 nach links begrenzt wird.
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Auf das in 7 rechte Ende des Ventilstößels 94 ist ein topfförmiges Element 104 aufgesetzt, welches einen plattenartigen Boden 106, eine zylindrische Umfangswand 108 und einen sich vom in den Figuren oberen Rand der Umfangswand 106 nach radial außen erstreckenden Ringbund 110 umfasst. In dem plattenartigen Boden 106 ist eine vergleichsweise kleine zentrische Durchgangsöffnung vorhanden, welche die oben erwähnte Drossel 78 bildet. In der zylindrischen Umfangswand 108 sind Durchgangsöffnungen (nicht sichtbar) vorhanden. Durch die Innenseite der Umfangswand 108 ist das topfförmige Element 104 im Gleitsitz auf dem Ventilstößel 94 geführt.
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Eine dem Ventilstößel 94 zugewandte Ringfläche (ohne Bezugszeichen) des Bodens 106 ist leicht konisch ausgebildet, und eine dem Boden 106 zugewandte endseitige Stirnfläche (ohne Bezugszeichen) des Ventilstößels 94 ist leicht ballig ausgebildet. Auf diese Weise liegt in der in 7 gezeigten relativen Stellung des Ventilstößels 94 zum topfförmigen Element 104 die endseitige Stirnfläche des Ventilstößels 94 an der Ringfläche des Bodens 106 in einem Bereich knapp radial außerhalb von der zentrischen Durchgangsöffnung 78 linienhaft an.
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Der Adapterabschnitt 60 weist einen ersten Bereich 114 auf, der in der Art eines Stutzens in eine Aufnahmeöffnung 116 am Zentralabschnitt 55 des Gehäuses 52 eingeführt und gegenüber dieser durch einen O-Ring 118 abgedichtet ist. Ferner weist der Adapterabschnitt 60 einen zum ersten Bereich 114 orthogonalen Bereich auf, der den zweiten Anschluss 58 umfasst bzw. vorliegend beispielhaft bildet. Schließlich umfasst der Adapterabschnitt 60 noch einen dritten Bereich 120, der koaxial zum ersten Bereich 114 und von diesem diametral entgegengesetzt in axialer Verlängerung der Verteilerkammer 64 angeordnet ist, und der zur Aufnahme und Befestigung des Verbindungsstücks 98 der Absperrventileinrichtung 37 dient. Insoweit ist der Adapterabschnitt 60 in der Art eines T-Verbindungsstücks ausgebildet.
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Während der Ventilstößel 94 mit seiner endseitigen balligen Stirnfläche das oben im Zusammenhang mit 5 erwähnte erste Ventilelement des ersten Ventils 70 bildet, bildet das topfförmige Element 104 das oben im Zusammenhang mit 5 erwähnte zweite Ventilelement des zweiten Ventils 72. Der Boden 106 des topfförmigen Elements 104 bildet einen Ventilsitz für den Ventilstößel 94, wohingegen ein der Absperrventileinrichtung 37 zugewandter Rand 122 eines den Auslass 68 der Absperrventileinrichtung 37 bildenden Kanals im ersten Bereich 114 des Adapterabschnitts 60 einen Ventilsitz für das topfförmige Element 104 bildet.
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Somit ist der Ventilsitz 122 für das Ventilelement 104 der Absperrventileinrichtung 37 letztlich am Gehäuse 52 der Brennstoffverteileinrichtung 37, nämlich am Adapterabschnitt 60, angeordnet. Man erkennt ferner, dass die Magnetbaugruppe 84, der Ventilstößel 94 und das Verbindungsstück 98 parallel, im Wesentlichen sogar koaxial zur Längsachse 54 des Gehäuses 52 und zur Aufnahmeöffnung 116 angeordnet sind. Insbesondere erkennt man, dass eine Längsachse des Ventilstößels 94, der ja das erste Ventilelement der Absperrventileinrichtung 37 bildet, parallel bzw. koaxial zur Längsachse 54 verläuft.
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Zwischen dem Adapterabschnitt 60 und dem Ringbund 110 ist die zweite Vorspanneinrichtung 80, die vorliegend beispielhaft ebenfalls durch eine Spiralfeder gebildet wird, verspannt. Während der Ventilstößel 94 aus Metall hergestellt ist, ist das topfförmige Element 104 vorliegend beispielhaft aus einem dichtenden Kunststoff hergestellt, beispielsweise einem Elastomermaterial, aus PEEK, PTFE, Vespel oder ähnlichen Dichtungswerkstoffen. Das Verbindungsstück 98 ist am Adapterabschnitt 60 vorzugsweise verschweißt, beispielsweise durch KEEP- Schweißen oder Laserschweißen.
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Die in den 6-7 gezeigte Absperrventileinrichtung 37 funktioniert wie folgt: bei geschlossener Absperrventileinrichtung 37 ist der Elektromagnet 88 unbestromt. Der Ventilstößel 94 wird somit mit seiner balligen endseitigen Stirnfläche von der ersten Vorspanneinrichtung 74 in 7 nach rechts gegen den Boden 106 des topfförmigen Elements 104 gedrückt, und hierdurch wird dieses wiederum gegen den Rand 122 am Auslass 68 im Adapterabschnitt 60 gedrückt. Hierdurch wird die oben erwähnte mechanische Koppelung 82 zwischen dem ersten Ventilelement 94 des ersten Ventils 70 und dem zweiten Ventilelement 104 des zweiten Ventils 72 in Schließrichtung realisiert. Dabei ist, wie bereits im Zusammenhang mit 5 erwähnt wurde, die in Schließrichtung wirkende Vorspannkraft F1 der ersten Vorspanneinrichtung 74 größer als die in Öffnungsrichtung wirkende Vorspannkraft F2 der zweiten Vorspanneinrichtung 80.
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Wird der Elektromagnet 88 bestromt, werden der Anker 92 in 7 nach links und somit der mit dem Anker 92 fest verbundene Ventilstößel 94 gegen die Vorspannkraft F1 der ersten Vorspanneinrichtung 74 vom Ventilsitz am Boden 106 des zweiten Ventilelements 104 weg beaufschlagt. Somit hebt die endseitige Stirnfläche des Ventilstößels 94 vom Ventilsitz ab. Dies wird auch dadurch erleichtert, dass der am Einlass 66 herrschende Fluiddruck über einen großen Bereich der endseitigen Stirnfläche am Ventilstößel 94 wirken kann. In der Folge kann Wasserstoffgas vom Einlass 66 über die radialen Durchgangsöffnungen in der Umfangswand 108 des topfförmigen Elements 104 und die zentrische Durchgangsöffnung bzw. Drossel 78 zum Auslass 68 strömen, wodurch der Druck am Auslass 68, wie bereits oben im Zusammenhang mit 5 erläutert wurde, ansteigt, und wodurch der Druck am Einlass 66, wie ebenfalls bereits oben erläutert wurde, sinkt.
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Hierdurch sinkt die in Schließrichtung des zweiten Ventilelements 104 wirkende Druckdifferenz zwischen der dem Ventilstößel 94 zugewandten Ringfläche am Boden 106 und der dem Auslass 68 zugewandten Ringfläche am zweiten Ventilelement 104, bis die in Öffnungsrichtung wirkende Vorspannkraft F2 der zweiten Vorspanneinrichtung 80 ausreicht, um das zweite Ventilelement 104 vom Ventilsitz 122 abzuheben. Jetzt kann das Wasserstoffgas zusätzlich auch durch den entstehenden Ringspalt zwischen dem zweiten Ventilelement 104 und dem Ventilsitz 122 vom Einlass 66 zum Auslass 68 strömen.
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Währenddessen wird der Elektromagnet 88 weiterhin bestromt. Um die Absperrventileinrichtung 37 in der geöffneten Stellung zu halten, ist jedoch nur ein verringerter Haltestrom erforderlich, da der Abstand zwischen dem Anker 92 und dem Polkörper 93 (also der sogenannte Restluftspalt) durch die Bewegung des Ventilstößels 94 zusammen mit dem Anker 92 minimal geworden ist.
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Soll die Absperrventileinrichtung 37 wieder geschlossen werden, wird die Bestromung des Elektromagneten 88 beendet, wodurch der Ventilstößel 94 durch die Vorspannkraft F1 der ersten Vorspanneinrichtung 74 gegen das zweite Ventilelement 104 gedrückt und dieses hierdurch mitgenommen und schließlich gegen den Ventilsitz 122 gedrückt wird.
