DE102022213128A1

DE102022213128A1 - Gassystem für eine Mobilitätsanwendung, Verfahren zum Betreiben eines solchen Gassystems, sowie Steuer- und/oder Regeleinrichtung für ein solches Gassystem

Info

Publication number: DE102022213128A1
Application number: DE102022213128.2A
Authority: DE
Inventors: Uwe Richter; Holger Rapp; Rainer Kornhaas; Heiko Roth; Gerd Teike
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-12-06
Filing date: 2022-12-06
Publication date: 2024-06-06
Also published as: WO2024120689A1

Abstract

Ein Gassystem (10) für eine Mobilitätsanwendung (50), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfasst eine Bereitstellungseinrichtung (18) zur Bereitstellung eines Gases für einen mit der Bereitstellungseinrichtung (18) mindestens mittelbar verbundenen Gasverbraucher (48), der das bereitgestellte Gas umwandelt, und eine fluidisch zwischen der Bereitstellungseinrichtung (18) und dem Gasverbraucher (48) angeordnete Druckregeleinrichtung (22), die einen Eingangsdruck des Gases auf einen Ausgangsdruck absenkt. Es wird vorgeschlagen, dass die Druckregeleinrichtung (22) zur Druckregelung eine Ventileinrichtung (32) aufweist, die ausschließlich ein Schaltventil (34) oder mehrere Schaltventile (34a, 34b) umfasst.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Gassystem für eine Mobilitätsanwendung, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gassystems, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für ein solches Gassystem, nach den Oberbegriffen der jeweiligen nebengeordneten Ansprüche.
Vom Markt her bekannt sind Wasserstoff-Brennkraftmaschinen, deren Brennstoff gasförmiger Wasserstoff ist, der durch ein Gassystem bereitgestellt wird. 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 einer tankartigen Bereitstellungseinrichtung gespeichert sein. Von dort gelangt er über mindestens eine Druckregeleinrichtung beispielsweise zu einer Brennstoffverteileinrichtung, die funktional ähnlich ist wie das Kraftstoffrail bei einer Brennkraftmaschine mit Benzin- oder Diesel-Direkteinspritzung. Die Druckregeleinrichtung regelt den Gasdruck von einem Eingangsdruck herunter auf einen Ausgangsdruck. An die Brennstoffverteileinrichtung können mehrere Injektoren angeschlossen sein, die den gasförmigen Brennstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine (H2-Direkteinspritzung) oder in eine Vorkammer einblasen (Port Fuel Injection). Typischerweise verfügt die Druckregeleinrichtung zur Druckregelung über ein Proportionalventil.
Vom Markt her bekannt sind ferner Gassysteme zur Bereitstellung eines Gases für CNG-Brennkraftmaschinen sowie für Brennstoffzellen zum Antrieb bspw. von Kraftfahrzeugen. Auch bei solchen Gassystemen wird der anfänglich hohe Gasdruck durch eine Druckregeleinrichtung abgesenkt.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Gassystem für eine Mobilitätsanwendung, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gassystems und eine Steuer-und/oder Regeleinrichtung für ein solches Gassystem mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen genannt.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Schaltventile einfacher und kostengünstiger sind als die bisher verwendeten Proportionalventile. Sie sind ferner einfacher aufgebaut und benötigen keine reibungsoptimierte Führung. Ferner sind Schaltventile robuster gegenüber einem laufzeitbedingten Verschleiß. Auch die Regelung wird vereinfacht, da Schaltventile weniger zu einem „Aufschwingen“ neigen. Ferner kann die erfindungsgemäße Steuer- und/oder Regeleinrichtung einfacher realisiert werden, da eine Endstufe zur Ansteuerung eines Schaltventils einfacher und preiswerter ist und überhaupt die Ansteuerung einfacher realisiert werden kann.
Konkret wird dies erreicht durch ein Gassystem für eine Mobilitätsanwendung. Eine solche Mobilitätsanwendung kann beispielsweise ein Kraftfahrzeug sein, aber auch ein Schiff, eine Lokomotive oder ein Flugzeug. Das Gassystem muss insoweit dafür ausgebildet und eingerichtet sein, mobil betrieben zu werden, geringe Abmaße zu haben und ein geringes Gewicht aufzuweisen. Das Gassystem umfasst zunächst eine Bereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung eines Gases. Beispielsweise kann die Bereitstellungseinrichtung einen tankartigen Behälter umfassen, in dem das Gas unter hohem Druck beispielsweise in zunächst flüssiger Form gespeichert ist. Zu der Bereitstellungseinrichtung kann dann eine Einrichtung gehören, die das zunächst in flüssiger Form gespeicherte Gas in den gasförmigen Zustand überführt und in eine Druckleitung einspeist.
Mit der Bereitstellungseinrichtung des erfindungsgemäßen Gassystems ist mindestens mittelbar ein Gasverbraucher verbunden, der das bereitgestellte Gas umwandelt und dadurch verbraucht. Bei der Umwandlung wird die in dem Gas enthaltene chemische Energie in eine andere Energieform umgewandelt, die mittelbar oder unmittelbar für einen Antrieb der Mobilitätsanwendung verwendet werden kann.
Zwischen der Bereitstellungseinrichtung und dem Gasverbraucher ist eine Druckregeleinrichtung angeordnet. Dieser wird an einem Eingang der Druckregeleinrichtung das Gas mit einem Eingangsdruck bereitgestellt. Durch die Druckregeleinrichtung wird der Druck des Gases abgesenkt, sodass an einem Ausgang der Druckregeleinrichtung das Gas mit einem gegenüber dem Eingangsdruck abgesenkten Ausgangsdruck bereitgestellt wird. Beispielsweise kann der abgesenkte Ausgangsdruck jener Druck sein, mit dem das Gas dem Gasverbraucher bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß weist die Druckregeleinrichtung zur Druckregelung eine Ventileinrichtung auf, die ausschließlich ein Schaltventil oder mehrere Schaltventile umfasst. Für die Druckregelung ist in der Druckregeleinrichtung somit ausschließlich mindestens ein Ventil vom Typ „Schaltventil“ vorgesehen und kein anderer Ventiltyp, insbesondere kein Proportionalventil.
Anders als ein Proportionalventil, welches einen steuerbaren variablen Öffnungsquerschnitt aufweist, weist das erfindungsgemäß vorgesehene Schaltventil typischerweise nur zwei Betriebszustände auf, nämlich einen geschlossenen Betriebszustand und einen geöffneten Betriebszustand. In dem geöffneten Betriebszustand wird ein fest vorgegebener Öffnungsquerschnitt freigegeben, durch den das Gas von einem Eingang des Schaltventils zu einem Ausgang des Schaltventils strömen kann. In dem geschlossenen Betriebszustand ist der Strömungsweg des Gases durch das Schaltventil hindurch gesperrt, es kann also kein Gas vom Eingang des Schaltventils zum Ausgang strömen.
Zur Regelung des Ausgangsdruckes am Ausgang der Druckregeleinrichtung wird bei der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung, die zur Druckregelung ausschließlich mindestens ein Schaltventil umfasst, das zeitliche Verhältnis zwischen dem geschlossenen Betriebszustand und dem geöffneten Betriebszustand des Schaltventils innerhalb eines betrachteten Zeitraums variiert. Das Schaltventil wird also mit einer gewissen Frequenz zwischen dem geschlossenen Betriebszustand und dem geöffneten Betriebszustand hin und hergeschaltet. Die minimale Frequenz, mit der dieses Hin- und Herschalten erfolgt, ist typischerweise von Volumina des gesamten Gassystems abhängig sowie einer Abnahmemenge an Gas durch den Gasverbraucher. Auf diese Weise können ungewünschte Druckschwankungen minimiert werden.
Je nachdem, wie groß der zeitliche Anteil der geöffneten Betriebszustände zum zeitlichen Anteil der geschlossenen Betriebszustände innerhalb eines bestimmten Zeitraums ist, wird mehr oder weniger Gas durch das Schaltventil hindurch gelassen. Je kürzer die zeitlich gemittelte Öffnungszeit des Schaltventils innerhalb eines bestimmten Zeitraums ist, desto größer ist der mittlere Druckabfall über das Schaltventil hinweg, und desto kleiner ist der Ausgangsdruck am Ausgang der Druckregeleinrichtung. Dabei kann der zeitliche Anteil der geöffneten Betriebszustände zum zeitlichen Anteil der geschlossenen Betriebszustände durch die zeitliche Dauer der jeweiligen Betriebszustände und/oder deren Häufigkeit eingestellt bzw. variiert werden.
Beispielsweise kann das Schaltventil ein Sitzventil sein mit einem Ventilelement, welches in dem geschlossenen Betriebszustand eine erste Endstellung einnimmt, in der es an einem Ventilsitz fluiddicht anliegt, wodurch der Strömungsweg des Gases gesperrt wird. In dem geöffneten Betriebszustand befindet sich das Ventilelement in einem Abstand vom Ventilsitz in einer zweiten Endstellung, wodurch ein Durchflussspalt mit einem definierten, fest vorgegebenen Öffnungsquerschnitt freigegeben wird, durch den das Gas vom Eingang des Schaltventils zum Ausgang strömen kann. Typischerweise wird das Ventilelement in eine der beiden Endstellungen durch eine Vorspanneinrichtung, beispielsweise eine Ventilfeder, beaufschlagt, und in die andere der beiden Endstellungen gegen die Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung durch einen angesteuerten Aktor bewegt.
Es versteht sich, dass die Druckregeleinrichtung grundsätzlich noch andere Einrichtungen aufweisen kann, die nicht die Ventileinrichtung zur Druckregelung sind. Beispielsweise kann die Druckregeleinrichtung ein durch eine Absperrventileinrichtung gebildetes Sicherheitsventil umfassen, welches stromlos geschlossen ist und typischerweise stromaufwärts von der Ventileinrichtung zur Druckregelung angeordnet ist.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Druckregeleinrichtung mindestens ein erstes Schaltventil und ein zweites Schaltventil umfasst, die hydraulisch parallel geschaltet sind, wobei das erste Schaltventil einen ersten Öffnungsquerschnitt und das zweite Schaltventil einen zweiten Öffnungsquerschnitt aufweist, und wobei der erste Öffnungsquerschnitt kleiner ist als der zweite Öffnungsquerschnitt. Auf diese Weise kann die Regelung abhängig vom Bedarf des Gasverbraucher vereinfacht und präziser gemacht werden. Wird beispielsweise vom Gasverbraucher nur vergleichsweise wenig Gas angefordert, bleibt das zweite Schaltventil geschlossen, und die Regelung des Drucks erfolgt nur durch das erste Schaltventil mit dem vergleichsweise kleinen Öffnungsquerschnitt. Wird dagegen vom Gasverbraucher vergleichsweise viel Gas angefordert, kann das erste Schaltventil geschlossen bleiben, und die Regelung des Drucks erfolgt nur durch das zweite Schaltventil. Möglich ist aber auch, dass im letztgenannten Fall beide Schaltventile zur Regelung des Drucks eingesetzt werden. Denkbar ist im Übrigen auch, dass die Ventileinrichtung mehr als zwei Schaltventile mit jeweils unterschiedlichen Öffnungsquerschnitten aufweist.
Zur Realisierung der unterschiedlichen Öffnungsquerschnitte stehen unterschiedliche Maßnahmen zur Verfügung. Bei dem oben beschriebenen Sitzventil kann beispielsweise das zweite Schaltventil einen größeren Öffnungshub in der offenen Endstellung aufweisen als das erste Schaltventil. Denkbar ist aber auch, dass beide Schaltventile einen gleichen Öffnungshub aufweisen, jedoch unterschiedliche Ventilsitz-Durchmesser. Auch sind Kombinationen aus beiden Maßnahmen denkbar.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Gassystem eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung umfasst, die ausgebildet und eingerichtet ist, um das mindestens eine Schaltventil der Druckregeleinrichtung durch ein pulsweitenmoduliertes Signal anzusteuern. Ein solches pulsweitenmoduliertes Signal kann sehr einfach erzeugt und extrem präzise eingestellt werden. Dabei kann mit einem solchen pulsweitenmodulierten Signal sehr einfach die Öffnungsdauer und/oder die Schließdauer des Schaltventils beeinflusst werden.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Gasverbraucher eine CNG-Brennkraftmaschine, eine Brennstoffzelle oder eine Wasserstoff-Brennkraftmaschine umfasst. Bei derartigen Gasverbrauchern kann das erfindungsgemäße Gassystem besonders vorteilhaft eingesetzt werden.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Schaltventil der Druckregeleinrichtung einen elektromagnetischen Aktor oder einen piezoelektrischen Aktor umfasst. Ein elektromagnetischer Aktor ist sehr robust und gestattet die Realisierung eines vergleichsweise großen Hubs. Ein piezoelektrischer Aktor gestattet dagegen die Realisierung von sehr kurzen Schaltzeiten.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Druckregeleinrichtung mindestens einen Drucksensor umfasst. Ein solcher Drucksensor kann beispielsweise stromaufwärts von der Ventileinrichtung zur Druckregelung (Eingangsdruck) und/oder stromabwärts von der Ventileinrichtung zur Druckregelung (Ausgangsdruck) angeordnet sein und hierdurch für die Druckregelung eingesetzt werden.
Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben eines Gassystems für eine Mobilitätsanwendung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, der oben beschriebenen Art. Es wird vorgeschlagen, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a. Bereitstellen eines Gases mittels einer Bereitstellungseinrichtung mit einem Eingangsdruck an eine Druckregeleinrichtung; b. Beeinflussen eines Ausgangsdrucks der Druckregeleinrichtung, die fluidisch zwischen der Bereitstellungseinrichtung und dem Gasverbraucher angeordnet ist, durch das zeitliche Verhältnis zwischen dem geöffneten Betriebszustand und dem geschlossenen Betriebszustand mindestens eines Schaltventils der Druckregeleinrichtung.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Schaltventil der Druckregeleinrichtung mittels einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert wird.
Zu der Erfindung gehört ferner eine Steuer- und Regeleinrichtung für ein Gassystem für eine Mobilitätsanwendung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, der oben beschriebenen Art. Es wird vorgeschlagen, dass die Steuer- und Regeleinrichtung einen Prozessor und einen Speicher mit Programmcode umfasst und zur Ausführung eines Verfahrens der oben beschriebenen Art eingerichtet und ausgebildet ist.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Gassystems für eine Mobilitätsanwendung mit einer Druckregeleinrichtung mit einem Schaltventil;
2 zwei Diagramme, in denen ein Ansteuersignal für das Schaltventil der Druckregeleinrichtung von 1 über der Zeit sowie ein Verlauf eines Ausgangsdrucks an einem Ausgang der Druckregeleinrichtung über der Zeit aufgetragen sind; und
3 eine Darstellung ähnlich zu 1, wobei die Druckregeleinrichtung zwei Schaltventile aufweist;
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Gassystems der 1 oder 3.

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, und bei nachfolgenden Ausführungsformen werden im Regelfall nur Unterschiede zu vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben. Darüber hinaus sind aus Gründen der Vereinfachung möglicherweise nicht in allen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingetragen.
Ein Gassystem trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen tankartigen Gasspeicher 12, in dem Gas vorliegend unter hohem Druck in flüssiger Form gespeichert ist. Von dem Gasspeicher 12 führt eine Druckleitung 14 zu einem Tankdruckregler 16, durch den der Druck von dem im Gasspeicher 12 herrschenden Druck abgesenkt und zumindest auch hierdurch das zunächst in flüssiger Form gespeicherte Gas in den gasförmigen Zustand überführt wird. Der Gasspeicher 12 bildet zusammen mit dem Tankdruckregler 16 eine Bereitstellungseinrichtung 18. Es versteht sich, dass zu der Bereitstellungseinrichtung 18 noch weitere Komponenten gehören können, die in 1 nicht dargestellt sind, beispielsweise mindestens ein Drucksensor, mindestens ein Temperatursensor, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, eine Befülleinrichtung, etc.
Von dem Tankdruckregler 16 führt die Druckleitung 14 zu einem Eingang 20 einer insgesamt mit 22 bezeichneten Druckregeleinrichtung. Die Druckregeleinrichtung 22 umfasst ein Gehäuse 24, in dem ein Strömungskanal 26 ausgebildet ist. Der Strömungskanal 26 führt vom Eingang 20 zunächst zu einem als Absperrventileinrichtung ausgebildeten Sicherheitsventil 28, welches stromlos geschlossen ist. Von dort führt der Strömungskanal 26 über einen Drucksensor 30 zu einer Ventileinrichtung 32, die vorliegend beispielhaft nur ein einziges Schaltventil 34 umfasst. Weitere Ventile bzw. Ventile eines anderen Typs umfasst die Ventileinrichtung 32 nicht, insbesondere kein Proportionalregelventil o. ä. Vom Schaltventil 34 führt der Strömungskanal 26 zu einem Ausgang 36 der Druckregeleinrichtung 22.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass sowohl die Absperrventileinrichtung 28 als auch der Drucksensor 30 und die Ventileinrichtung 32 typischerweise nicht vollständig im Gehäuse 24 der Druckregeleinrichtung 22 aufgenommen sind, sondern lediglich bereichsweise. Insoweit ist die Darstellung in 1 lediglich funktional und äußerst schematisch zu verstehen.
Vom Ausgang 36 der Druckregeleinrichtung 22 führt die Druckleitung 14 vorliegend beispielhaft zu einer Gasverteileinrichtung 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 Gasverteileinrichtung 38 herrschende Gasdruck wird von einem Drucksensor 40 erfasst, und die Temperatur des in der Gasverteileinrichtung 38 vorhandenen Gases wird von einem Temperatursensor 42 erfasst.
An die Gasverteileinrichtung 38 sind vorliegend beispielhaft mehrere Injektoren 44 angeschlossen, die das Gas (also den gasförmigen Wasserstoff) vorliegend beispielhaft in Brennräume 46 einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine 48 direkt einblasen. Der gasförmigem Wasserstoff wird in den Brennräumen 46 mit Luftsauerstoff gemischt, und dieses Gemisch wird durch eine jeweilige Zündeinrichtung (nicht gezeichnet) entzündet. Typischerweise handelt es sich bei der Brennkraftmaschine 48 um eine 2-Takt- oder 4-Takt-Kolben-Brennkraftmaschine von einer weitgehend üblichen Bauart.
Die Brennkraftmaschine 48 wird zum Antrieb einer Mobilitätsanwendung 50, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, einer Lokomotive, eines Schiffs oder eines Flugzeugs eingesetzt. Insoweit handelt es sich bei der Wasserstoff-Brennkraftmaschine 48 um einen Gasverbraucher, der das bereitgestellte Wasserstoffgas umwandelt und dadurch verbraucht. Bei der Umwandlung wird die in dem Gas enthaltene chemische Energie in eine andere Energieform umgewandelt, vorliegend zunächst in thermische und dann in kinetische Energie.
Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform ist der Gasverbraucher keine Brennkraftmaschine, sondern eine Brennstoffzelle. In diesem Fall wird die in dem Gas enthaltene chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Bei einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform ist das Gas nicht Wasserstoff, sondern ein stark methanhaltiges Gas, beispielsweise Erdgas. In diesem Fall wäre ein typischer Gasverbraucher wieder eine Brennkraftmaschine (CNG-Brennkraftmaschine) ähnlich zu der oben beschriebenen Art.
Zu dem Gassystem 10 gehört auch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 52, die einen nicht dargestellten Prozessor und ein einen nicht gezeichneten Speicher mit Programmcode umfasst. Diese steuert unter anderem den Tankdruckregler 16, die Absperrventileinrichtung 28 und das Schaltventil 34 an. Sie erhält ferner Signale beispielsweise vom Drucksensor 30, vom Drucksensor 40 und vom Temperatursensor 42.
Durch die Druckregeleinrichtung 22 wird der am Eingang 20 der Druckregeleinrichtung 22 zunächst herrschende hohe Eingangsdruck des Gases, der durch den Tankdruckregler 16 bereitgestellt wird, abgesenkt, so dass am Ausgang 36 der Druckregeleinrichtung 22 das Gas mit einem abgesenkten Ausgangsdruck bereitgestellt wird. Beispielsweise kann der abgesenkte Ausgangsdruck jener Druck sein, mit dem das Gas der Gasverteileinrichtung 38 und weiter dem Gasverbraucher, vorliegend also der Brennkraftmaschine 48, bereitgestellt wird.
Das Schaltventil 34 weist vorliegend beispielhaft nur zwei Betriebszustände auf, nämlich einen geschlossenen Betriebszustand und einen geöffneten Betriebszustand. In dem geöffneten Betriebszustand wird ein fest vorgegebener Öffnungsquerschnitt freigegeben, durch den das Gas von einem Eingang 54 des Schaltventils 34 zu einem Ausgang 56 des Schaltventils 34 strömen kann. In dem geschlossenen Betriebszustand ist der Strömungsweg des Gases durch das Schaltventil 34 hindurch gesperrt, es kann also kein Gas vom Eingang 54 des Schaltventils 34 zum Ausgang 56 strömen.
Zur Beeinflussung des Ausgangsdruckes am Ausgang 36 der Druckregeleinrichtung 22 wird das zeitliche Verhältnis zwischen dem geschlossenen Betriebszustand und dem geöffneten Betriebszustand des Schaltventils 34 innerhalb eines betrachteten Zeitraums variiert. Das Schaltventil 34 wird also mit einer gewissen Frequenz zwischen dem geschlossenen Betriebszustand und dem geöffneten Betriebszustand hin und hergeschaltet. Die minimale Frequenz, mit der dieses Hin- und Herschalten erfolgt, ist typischerweise von Volumina des gesamten Gassystems 10 abhängig sowie einer Abnahmemenge an Gas durch den Gasverbraucher 48.
Je nachdem, wie groß der zeitliche Anteil der geöffneten Betriebszustände zum zeitlichen Anteil der geschlossenen Betriebszustände innerhalb eines bestimmten Zeitraums ist, wird mehr oder weniger Gas durch das Schaltventil 34 hindurch gelassen. Je kürzer die zeitlich gemittelte Öffnungszeit des Schaltventils 34 innerhalb eines bestimmten Zeitraums ist, desto größer ist der mittlere Druckabfall über das Schaltventil 34 hinweg, und desto kleiner ist der Ausgangsdruck am Ausgang 36 der Druckregeleinrichtung 22. Dabei kann der zeitliche Anteil der geöffneten Betriebszustände zum zeitlichen Anteil der geschlossenen Betriebszustände durch die zeitliche Dauer der jeweiligen Betriebszustände und/oder deren Häufigkeit eingestellt bzw. variiert werden.
Beispielsweise kann das Schaltventil 34 ein Sitzventil sein mit einem Ventilelement, welches in dem geschlossenen Betriebszustand eine erste Endstellung einnimmt, in der es an einem Ventilsitz fluiddicht anliegt, wodurch der Strömungsweg des Gases vom Eingang 54 zum Ausgang 56 gesperrt wird. In dem geöffneten Betriebszustand befindet sich das Ventilelement in einem Abstand vom Ventilsitz in einer zweiten Endstellung, wodurch ein Durchflussspalt mit einem definierten, fest vorgegebenen Öffnungsquerschnitt freigegeben wird, durch den das Gas vom Eingang 54 des Schaltventils 34 zum Ausgang 56 strömen kann. Typischerweise wird das Ventilelement in eine der beiden Endstellungen durch eine Vorspanneinrichtung, beispielsweise eine Ventilfeder, beaufschlagt, und in die andere der beiden Endstellungen gegen die Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung durch einen angesteuerten Aktor bewegt. Als Aktor wird vorliegend beispielhaft ein elektromagnetischer Aktor verwendet, grundsätzlich ist aber auch die Verwendung eines piezoelektrischen Aktors möglich. Auch eine pneumatisch betätigter Aktor könnte einsetzbar sein.
Die Steuer- und Regeleinrichtung 52 ist ausgebildet und eingerichtet, um das Schaltventil 34 der Druckregeleinrichtung 22 durch ein pulsweitenmoduliertes Signal anzusteuern. Ein solches pulsweitenmoduliertes Signal S ist in 2 durch das Bezugszeichen 58 bezeichnet. Auf der Ordinate des oberen Diagramms von 2 ist ein minimaler Signalpegel mit S0 und ein maximaler Signalpegel mit S1 bezeichnet. Auf der Abszisse des oberen Diagramms von 2 ist ein Zeitverlauf t aufgetragen. Durch den minimalen Signalpegel S0 wird das Schaltventil 34 in den geschlossenen Betriebszustand gesteuert, durch den maximalen Signalpegel S1 wird das Schaltventil 34 dagegen in den geöffneten Betriebszustand gesteuert.
Man erkennt, dass ab einem Zeitpunkt t1 der zeitliche Anteil der minimalen Signalpegel S0 deutlich geringer wird. Es wird also das zeitliche Verhältnis zwischen dem geöffneten Betriebszustand und dem geschlossenen Betriebszustand des Schaltventils 34 verändert, und zwar vorliegend beispielhaft zugunsten des geöffneten Betriebszustands. Es kann somit pro Zeiteinheit mehr Gas vom Eingang 54 zum Ausgang 56 des Schaltventils 34 gelangen. Entsprechend erhöht sich ein Druck P am Ausgang 56 des Schaltventils 34 und somit am Ausgang 36 der Druckregeleinrichtung 22 im unteren Diagramm von 2 zum Zeitpunkt t1 von einem Druckniveau P0 auf ein Druckniveau P1 (Kurve 60).
Zur Einstellung des Drucks P am Ausgang 36 der Druckregeleinrichtung 22 und damit zur Einstellung des Drucks P in der Gasverteileinrichtung 38 verwendet die Steuer- und Regeleinrichtung insbesondere das Signal des Drucksensors 40.
Bei der Ausführungsform eines Gassystems 10 entsprechend 3 weist die Ventileinrichtung 32 nicht ein einziges Schaltventil 34 auf, sondern ein erstes Schaltventil 34a und ein zweites Schaltventil 34b. Beide Schaltventile 34a und 34b sind hydraulisch parallel geschaltet. Das erste Schaltventil 34a weist einen ersten Öffnungsquerschnitt auf, und das zweite Schaltventil 34b weist einen zweiten Öffnungsquerschnitt auf. Der erste Öffnungsquerschnitt ist dabei kleiner als der zweite Öffnungsquerschnitt.
Wird beispielsweise vom Gasverbraucher 48 nur vergleichsweise wenig Gas angefordert, bleibt das zweite Schaltventil 34b geschlossen, und die Regelung des Drucks erfolgt nur durch das erste Schaltventil 34a mit dem vergleichsweise kleinen Öffnungsquerschnitt. Wird dagegen vom Gasverbraucher 48 vergleichsweise viel Gas angefordert, kann das erste Schaltventil 34a geschlossen bleiben, und die Regelung des Drucks erfolgt nur durch das zweite Schaltventil 34b. Möglich ist aber auch, dass im letztgenannten Fall beide Schaltventile 34a und 34b zur Regelung des Drucks eingesetzt werden. Denkbar ist im Übrigen auch, dass die Ventileinrichtung mehr als zwei Schaltventile mit jeweils unterschiedlichen Öffnungsquerschnitten aufweist.
Zur Realisierung der unterschiedlichen Öffnungsquerschnitte stehen unterschiedliche Maßnahmen zur Verfügung. Bei dem oben beschriebenen Sitzventil kann beispielsweise das zweite Schaltventil 34b einen größeren Öffnungshub in der offenen Endstellung aufweisen als das erste Schaltventil 34a. Denkbar ist aber auch, dass beide Schaltventile 34a und 34b einen gleichen Öffnungshub aufweisen, jedoch unterschiedliche Ventilsitz-Durchmesser. Auch sind Kombinationen aus beiden Maßnahmen denkbar.
4 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens, mit dem die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 52 das Gassystem 10 steuert bzw. regelt. Nach einem Startblock 62 wird in einem Funktionsblock 64 Wasserstoffgas von der Bereitstellungseinrichtung 18 mit einem Eingangsdruck an dem Eingang 20 der Druckregeleinrichtung 22 bereitgestellt. In einem Funktionsblock 66 wird der Ausgangsdruck am Ausgang 36 der Druckregeleinrichtung 22 durch das zeitliche Verhältnis zwischen dem geöffneten Betriebszustand des Schaltventils 34 und dem geschlossenen Betriebszustand des Schaltventils 34 der Druckregeleinrichtung 22 beeinflusst. Insbesondere wird dabei das mindestens eine Schaltventil 34 durch ein pulsweitenmoduliertes Signal 58 angesteuert. In einem Funktionsblock 68 wird das mit dem abgesenkten Ausgangsdruck am Ausgang 36 der Druckregeleinrichtung 22 bereitgestellte Gas von dem Gasverbraucher 48, vorliegend also der Brennkraftmaschine, umgewandelt. Das Verfahren endet in einem Funktionsblock 70.

Claims

Gassystem (10) für eine Mobilitätsanwendung (50), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Bereitstellungseinrichtung (18) zur Bereitstellung eines Gases für einen mit der Bereitstellungseinrichtung (18) mindestens mittelbar verbundenen Gasverbraucher (48), der das bereitgestellte Gas umwandelt, und eine fluidisch zwischen der Bereitstellungseinrichtung (18) und dem Gasverbraucher (48) angeordnete Druckregeleinrichtung (22), die einen Eingangsdruck des Gases auf einen Ausgangsdruck absenkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregeleinrichtung (22) zur Druckregelung eine Ventileinrichtung (32) aufweist, die ausschließlich ein Schaltventil (34) oder mehrere Schaltventile (34a, 34b) umfasst.
Gassystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (32) mindestens ein erstes Schaltventil (34a) und ein zweites Schaltventil (34b) umfasst, die hydraulisch parallel geschaltet sind, wobei das erste Schaltventil (34a) einen ersten Öffnungsquerschnitt und das zweite Schaltventil (34b) einen zweiten Öffnungsquerschnitt aufweist, und wobei der erste Öffnungsquerschnitt kleiner ist als der zweite Öffnungsquerschnitt.
Gassystem (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (52) umfasst, die ausgebildet und eingerichtet ist, um das mindestens eine Schaltventil (34; 34a, 34b) der Druckregeleinrichtung (22) durch ein pulsweitenmoduliertes Signal (58) anzusteuern.
Gassystem (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverbraucher (50) eine CNG-Brennkraftmaschine, eine Brennstoffzelle oder eine Wasserstoff-Brennkraftmaschine umfasst.
Gassystem (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Schaltventil (34; 34a, 34b) der Ventileinrichtung (32) der Druckregeleinrichtung (22) einen elektromagnetischen Aktor oder einen piezoelektrischen Aktor umfasst.
Gassystem (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregeleinrichtung (22) mindestens einen Drucksensor (30) umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines Gassystems (10) für eine Mobilitätsanwendung (50), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: a. Bereitstellen eines Gases mittels einer Bereitstellungseinrichtung (18) mit einem Eingangsdruck an eine Druckregeleinrichtung (22); b. Beeinflussen eines Ausgangsdrucks der Druckregeleinrichtung (22), die fluidisch zwischen der Bereitstellungseinrichtung (18) und dem Gasverbraucher (48) angeordnet ist, durch das zeitliche Verhältnis zwischen dem geöffneten Betriebszustand und dem geschlossenen Betriebszustand mindestens eines Schaltventils (34; 34a, 34b) der Druckregelei nri chtung.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Schaltventil (34; 34a, 34) der Druckregeleinrichtung (22) mittels einem pulsweitenmodulierten Signal (58) angesteuert wird.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (52) für ein Gassystem (10) für eine Mobilitätsanwendung (50), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Prozessor und einen Speicher mit Programmcode umfasst und zur Ausführung eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 7 oder 8 eingerichtet und ausgebildet ist.