DE69511274T2

DE69511274T2 - Verbesserter zweistufen-druckregler

Info

Publication number: DE69511274T2
Application number: DE69511274T
Authority: DE
Inventors: Stephen Carter; Michael Knappers
Original assignee: Sherex Industries Ltd Canada
Current assignee: GFI Control Systems Inc
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1995-08-30
Publication date: 2000-02-17
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: CA2131108C; JPH11514460A; AU700267B2; EP0778965B1; CA2131108A1; BR9509198A; CN1185213A; KR970705781A; MX9701498A; KR100352886B1; GB9704402D0; WO1996007129A1; GB2307029A; DE69511274D1; GB2307029B; EP0778965A1; DK0778965T3; US5755254A; AU3250295A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft Druckregler für verschiedene komprimierte Gase und insbesondere Druckregler, die für gasförmige Kraftstoffe wie beispielsweise komprimiertes oder verflüssigtes Naturgas bzw. Erdgas verwendet werden.

STAND DER TECHNIK

Es hat in zunehmendem Maße Verbreitung gefunden, sogenannte alternative Kraftstoffe wie Propan oder Naturgas bzw. Erdgas in Verbrennungsmotoren bzw. Brennkraftmaschinen zu verwenden. Oftmals werden solche Motoren umgestellt, um eine von zwei oder mehreren Kraftstoffquellen, beispielsweise Benzin und Erdgas, zu verwenden; der Benutzer hat die Möglichkeit, abhängig von der Verfügbarkeit oder dem Preis dieser Kraftstoffe zwischen den Quellen umzuschalten.
Praktisch alle derartigen Fahrzeuge sind dazu ausgelegt, nur mit Benzin betrieben zu werden, und werden umgestellt, um mit zwei oder mehreren Kraftstoffen betrieben zu werden. Die Fahrzeuge werden hergestellt mit Vorratstanks für Benzin, Pumpen zum Fördern des Benzins von dem Tank zu dem Motor und Vergasern oder Kraftstoffeinspritzanlagen bzw. -düsen zum Einführen des Kraftstoffs sowie der erforderlichen Luftmenge zur Verbrennung in dem Motor.
Gasförmige Kraftstoffe wie Propan oder Erdgas müssen in Druckzylindern gespeichert werden, um das Gas auf ein handhabbares Volumen zu komprimieren. Das Steigern des Druckes auf das höchste Niveau, das durch die Druckvorratszylinder sicher gehandhabt werden kann, steigert die Kraftstoffmenge, die in dem Zylinder gespeichert werden kann, und verlängert die Entfernung, über die das Fahrzeug maximal betrieben werden kann. Typische Vorratszylinderdrücke reichen von 2.000 bis 5.000 psig.
Verbrennungsmotoren können mit derart hohen Drücken nicht betrieben werden und der Gasdruck muß auf ein Niveau reduziert werden, bei dem der Motor sicher betrieben werden kann.
Der Druck muß bei der Reduktion zudem reguliert werden, um sicherzustellen, dass der Druck des Kraftstoffs, der in den Motor eintritt, selbst dann konstant ist, wenn der Druck in dem Vorratszylinder abnimmt. Gleichzeitig muß es die Druckregulierung ermöglichen, so viel Gas wie möglich aus dem Vorratszylinder zu entnehmen und es somit ermöglichen, dass der Druck in dem Vorratszylinder so weit wie möglich bis auf den Betriebsdruck herabfallen kann. Eine hohe Druckdifferenz über den Druckregler bedeutet, dass unverbrauchter Kraftstoff in dem Vorratszylinder verbleibt und dem Motor nicht zur Verfügung steht.
Bekannte Druckregler, die eine oder mehrere Stufen aufweisen, über die der Druck reduziert wird, sind allgemein bekannt und werden seit langem verwendet, um den Druck zu reduzieren und die Strömung von komprimiertem Gas zu regulieren. Einige hiervon sind als Druckausgleichsregler bekannt und verwenden verschiedene Federanordnungen, Membranen und Maschinenteile, um die Drücke und die Fluidströmung über die verschiedenen Stufen des Reglers auszugleichen.
Das am 4. Juni 1957 an F. J. Warner et al. erteilte U.S.- Patent Nr. 2,794,321 offenbart beispielsweise einen einstufigen Kraftstoffdruckregler, der zur Reduzierung und zum Regeln des Drucks von Kraftstoffen wie Propan dienen soll, welches als Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor verwendet wird.
Einige Druckregler, beispielsweise solche, die üblicherweise an Tanks von komprimiertem Gas wie Sauerstoff oder Azetylen verwendet werden, sind dazu ausgelegt, es dem Benutzer zu ermöglichen, den Druck über jede Stufe einzustellen. Andere, beispielsweise solche, die typischerweise in Kraftstoffzufuhrsystemen verwendet werden, sind voreingestellt und erlauben entweder keine Einstellung oder lediglich einen "Feinabgleich" durch den Benutzer, obwohl größere Einstellungen durch autorisiertes Servicepersonal durchgeführt werden können.
Die bekannten Druckregler weisen eine Anzahl von Nachteilen auf, die durch den Druckregler gemäß der vorliegenden Erfindung überwunden werden sollen.
Eines der prinzipiellen Probleme wird als "Regelabweichung" bezeichnet, d. h. der Grad an Unsicherheit über den Auslaßdruck des Reglers. Diese Unsicherheit ist eine Funktion der Kraftstoffdurchflußrate und des Druckes in dem Speicherzylinder und verursacht Probleme, da üblicherweise in modernen Fahrzeugen verwendete Kraftstoffeinspritzdüsen bzw. -anlagen dazu ausgelegt sind, bei einem konstanten Kraftstoffdruck zu arbeiten. Früher vorgeschlagene Lösungen beinhalten die Verwendung von Temperatur- und Drucksendern, um Abweichungen in der Kraftstofftemperatur und dem Druck zu detektieren und geeignete Einstellungen für den Betrieb des Motors vorzunehmen.
Ein weiteres Problem ist das "Kriechen", der Anstieg des Drucks innerhalb des Reglers und stromabwärts des Reglers, wenn die Einspritzanlage abgeschaltet ist. Ein derartiges Ansteigen des Druckes macht es schwierig, die Einspritzdüse gegen den Auslaßdruck des Reglers, der höher ist als erwartet, zu öffnen.
Mit diesem Druckanstieg bei Nulldurchfluß hängt das Austreten von Kraftstoff aus dem Regler zusammen.
Die Strömung von Kraftstoff zu einem Druckregler wird typischerweise von einem solenoidgesteuerten Ventil gesteuert, das von einem Benutzer des Fahrzeugs unmittelbar vor dem Einschalten des Zündsystems geöffnet werden kann. Das solenoidgesteuerte Ventil öffnet typischerweise einen Steuerkolben gegen den Zylinderdruck, was dazu führt, dass der Druck stromabwärts sich dem Druck stromaufwärts angleicht. Wenn die zwei Drücke annähernd gleich sind, öffnet der Primärkolben, um einen ungehinderten Kraftstofffluß durch das Ventil zu ermöglichen. Bei bekannten Druckregleranordnungen kann es mehrere Sekunden dauern, bis der gewünschte Betriebsdruck an der Kraftstoffeinspritzdüse anliegt. Sofern der Benutzer des Fahrzeugs diese Zeitspanne nicht abwartet, bevor er die Zündung betätigt, kann das Fahrzeug nicht oder nicht richtig starten.
Die erfindungsgemäße Druckregleranordnung stellt ein verbessertes Solenoid bereit, das unabhängig von dem Druck des Vorratszylinders schnell öffnet, so dass es es dem Regler ermöglicht, praktisch unmittelbar Betriebsdrücke zu erreichen.
Zu den weiteren Vorteilen des verbesserten Druckreglers gemäß der vorliegenden Erfindung gehören eine Abnahme des minimalen Zylinderdruckes, der erreicht werden kann, bevor nachzutanken ist, ein verbesserter modularer Aufbau, der eine Montage in verschiedenen Stellungen und Ausrichtungen erlaubt, sowie eine verbesserte Filterauslegung, die zu einem geringeren Druckabfall über den Filter führt und es erlaubt, dass der Filter leichter gereinigt oder ausgewechselt werden kann. Der verbesserte Druckregler gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein neues Druckbegrenzungsventil, das durch kostengünstiges Druckgießen oder ähnliche Techniken aus Kunststoff oder anderen kostengünstigen, nicht korrodierenden Materialien gefertigt werden kann.
Die EP 0 420 599 A2 offenbart einen einstufigen Druckregler mit einem Filter, einem Druckbegrenzungsventil und einem Solenoid.
Die DE-A-33 31 551 offenbart eine erste Regelstufeneinrichtung und eine zweite Regelstufeneinrichtung, wobei in der zweiten Regelstufeneinrichtung zwei gegenläufig gewickelte Federn vorgesehen sind, von denen eine von der anderen umgeben ist. Sowohl die innere als auch die äußere Feder wirkt jedoch alleine und unabhängig in unterschiedlichen Funktionen und ist betrieblich mit unterschiedlichen Elementen verbunden.
Die DE-A-39 41 341 offenbart einen Druckregler, in dem eine einzelne Feder ein Ventil in eine geschlossene Stellung vorspannt.
Die US-A-5,103,861 offenbart eine Dichteinrichtung für einen zweistufigen Gasregler für Flüssiggasbehälter mit einem ersten und einem zweiten Ventil. Diese Ventile werden durch Hebel geöffnet und geschlossen, die durch die Bewegung von Membranen verschwenkt werden.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Der Gegenstand der Erfindung ist in den Patentansprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft einen Zweistufen-Regler zum Regulieren des Druckes komprimierter Gase wie beispielsweise Erdgas, das in erdgasbetriebenen Fahrzeugen verwendet wird. Der Druckregler gemäß der vorliegenden Erfindung ist robust, kompakt, weist eine hohe Durchströmrate, eine geringe Regelabweichung, einen geringen Druckabfall und geringes Kriechen auf und ist sowohl für die Verwendung als Erstausrüstungskomponente als auch für die Nachrüstung geeignet. Er kann als eigenständige Einheit oder optional mit einer dritten Stufe verwendet werden, um einen Dreistufenregler bereitzustellen, beispielsweise als atmosphärischer (oder Nulldruckdifferenz-) Typ, wie er allgemein verwendet wird, um den Kraftstoffdruck für Gasvergasersysteme zu regulieren. Er ist besonders nutzbringend in Mono-, Bi- und Doppelkraftstoffmotorenanwendungen.
Der Zweistufenregler gemäß der vorliegenden Erfindung verfügt über eine einteilige Basis (die "Reglerbasis"), auf bzw. an der alle Bauteile des Reglers einschließlich der ersten und zweiten Regelstufenfedertürme, eines Druckbegrenzungsventil- bzw. Druckablaßventil- (oder PRV) Federturms, einer Filteranordnung, eines solenoidbetätigten Hochdruckventils und eines optionalen Zylinderdrucksenders. In der Basis bereitgestellte Kanäle, die beispielsweise durch spanende Bearbeitung hergestellt sein können, ermöglichen den Durchfluß von Kühlmitteln oder anderen Fluiden durch die Basis, um die Temperatur des Druckreglers und somit die Auslaßtemperatur des durch ihn hindurchfließenden Gases zu steuern.
Die Komponenten bzw. Bauteile des Reglers weisen einen neuartigen Aufbau auf, wodurch der Regler die Ziele der Erfindung verwirklichen kann.
Der Aufbau des verbesserten Zweistufendruckreglers gemäß der vorliegenden Erfindung führt zu einer ausgewogenen Auslegung, die Änderungen des Auslaßdrucks minimiert. Bei den Feder- Membran-basierenden Reglern gemäß dem Stand der Technik ist der Auslaßdruck eine Funktion einer großen Anzahl von Variablen einschließlich des Reglereinlaßdrucks, der Auslaßdurchflußrate, der Charakteristiken und Eigenschaften der Membranen einschließlich deren wirksamer Fläche und Dehnung, des Referenzdrucks, der Öffnungsfläche und -form, der Zapfenfläche und -form, der Federrate und der Betriebstemperatur.
Die Abstimmung dieser Komponenten des Reglers minimiert die Auswirkungen verschiedener dieser Faktoren. Die Abstimmung des Zapfens eliminiert den Effekt des Einlaßdruckes, der entweder der erst- oder zweitgrößte Beitrag zu der Gesamtregelabweichung an der Übertragungsfunktion ist, die den Auslaßdruck bestimmt. Ein Abstimmen des Reglers ermöglicht es somit, mit einem sehr viel kleineren Regler ein gegebenes Regelabweichungsniveau zu erreichen. Kleinere Regler haben ein schnelleres Ansprechverhalten und sind billiger herzustellen als größere Regler.
Die verbesserte Auslegung des Zweistufendruckreglers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet gegenläufig gewickelte Federn, um die Stabilität und das Ansprechverhalten des Reglers zu verbessern und um die Verwendung kleinerer Federtürme zu ermöglichen. Die Reglerauslegung beinhaltet Auswahl zwischen miteinander im Konflikt liegenden Punkten, beispielsweise: Größe, Kosten, Regelabweichung, Durchflußkapazität, Auslaßdruck, Ansprechzeit, Stabilität, Zuverlässigkeit, Robustheit und Aussehen.
Beispielsweise reduziert die Kombination von Öffnungsgrößen, Membranflächen, Regelabweichungspegeln, Membranreferenzdrücken, Federraten und gegenläufig gewickelten Federn die Größe verschiedener Schlüsselteile um über 70%. Diese Reduktionen verbessern das zeitliche Ansprechverhalten und reduzieren die Teilekosten und die Verpackungsgröße.
Sowohl die erste als auch die zweite Stufe des Reglers wurden dahingehend ausgelegt, die Masse der dynamischen Komponenten zu minimieren, wodurch wiederum die Trägheit dieser Komponenten im Betrieb minimiert wird und ein schnelleres Ansprechen auf Änderungen der Betriebsbedingungen des Reglers ermöglicht wird. Jede der zwei Stufen verwendet zwei gegenläufig gewickelte Federn, um die Federkonstante und die erforderliche Höhe des Federturms zu minimieren. Wie im folgenden erläutert, wird angenommen, dass dies zu einer niedrigeren "Regelabweichung" oder einem niedrigeren Grad an Unsicherheit des Betriebsdrucks führt. Alle dynamischen Komponenten der ersten Stufe mit Ausnahme des Zapfens können aus Aluminium oder anderen leichtgewichtigen Materialien mit geeigneter Festigkeit und Wärmeschockeigenschaften konstruiert sein.
Eine Rollenmembrane (vorzugsweise eine weiter unten beschriebene "Hut"-Typkonfiguration) wird sowohl in der ersten als auch in der zweiten Stufe verwendet, um konstante effektive Flächen über den gesamten Bereich der Bewegung der Membrane beizubehalten.
Die Rollenmembrane gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine größere Haltbarkeit auf und erlaubt größere Herstellungstoleranz als eine flache Membrane und eliminiert zu einem großen Maß den Hystereseeffekt von Flachmembranen. Eine Membrane dieser Konfiguration hat eine besonders lange Betriebsdauer und gute Eigenschaften bei kaltem Wetter sowie gute Haltbarkeit.
Bei dem Regler gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Federturm der ersten Stufe gegenüber der Umgebung abgedichtet und statt dessen auf den Druck in der zweiten Stufe bezogen. Es wurde herausgefunden, dass es nicht notwendig ist, eine Einrichtung zur externen Druckeinstellung in der ersten Stufe vorzusehen, da eine Abweichung von +/- 10% des Druckes in der ersten Stufe nur zu einer vernachlässigbaren Abweichung des Auslaßdrucks des Reglers führt.
Sowohl die erste als auch die zweite Stufe verfügen über eine Zapfenanordnung, deren Aufbau so gewählt ist, dass ein potentieller Leckageweg, der in Reglern gemäß dem Stand der Technik besteht (d. h. durch das Innere des Zapfens, der Membran, der Membrananschlaganordnung und das Innere des Federturms) eliminiert ist. Jeder Zapfen hat eine Einschnappanordnung, die das Risiko einer Beschädigung des O-Rings oder anderer Dichtmittel eliminiert. Jeder der Zapfen ist aus einem Material hergestellt, das den Drücken und den potentiellen Korrosionskräften, denen es ausgesetzt ist, widersteht und, wenn erforderlich, eine effektive Abdichtung gegen die stromaufwärtsliegenden Drücke bereitstellt. Der Zapfen der ersten Stufe kann aus einem Hartkunststoffdichtungsmaterial (wie beispielsweise Zytel) hergestellt sein, das das Risiko einer Hochdruckextrusion des Zapfens, die ansonsten mit einer Gummidichtung auftreten könnte, im wesentlichen eliminiert. Der Zapfenausnehmungsstopfen enthält einen O-Ring an seiner Basis, um die Auflagerausdehnung zu eliminieren; die Gewindetiefe kann so berechnet werden, dass sie einem Druck von mehr als 20.000 psi standhält. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine geformte bzw. modellierte Gummidichtung für die Zapfendichtung der zweiten Stufe verwendet werden, da die Dichtung einem maximalen Betriebsdruck von lediglich 250 psig ausgesetzt ist und Hochdruckextrusion dieses Materials kein Problem darstellt. Die Verwendung eines weicheren Materials in der zweiten Niederdruckstufe reduziert signifikant das Nulldurchflußkriechen.
Wie im folgenden detaillierter erläutert, ist der Aufbau der zweiten Stufe des Reglers im wesentlichen identisch mit demjenigen der ersten Stufe mit der Ausnahme der Anordnung der Zapfendichtung und den Einzelheiten der Federturmkonstruktion. In dem in Fig. 6 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine modellierte Gummidichtung für die Zapfendichtung der zweiten Stufe verwendet, da, anders als bei der Dichtung in der ersten Stufe, die Dichtung einem maximalen Druck von lediglich 250 psig ausgesetzt ist und Hochdruckextrusion kein Thema ist. Diese Lösung reduziert dramatisch das Nulldurchflußkriechen (Druckanstieg in Ruhe), da es zu einer geringeren Leckage führt als eine Hartkunststoffdichtung (wie Beispiel Material der Marke Zytel, das in der ersten Stufe der bevorzugten Ausführungsform verwendet wird). Der Federturm der zweiten Stufe enthält eine Druckeinstellungsschraube, die es erlaubt, den Druck in der zweiten Stufe und somit den Auslaßdruck des Reglers einzustellen, wenn sie alleine verwendet wird, und es kann ein manipulationssicherer Stopfen vorgesehen werden, der nach einer Werkseinstellung der zweiten Stufe installiert werden kann.
Jeder der Federtürme der ersten und zweiten Stufe ist durch bekannte Mittel an der Basis angebracht, beispielsweise bekannten Befestigungsmitteln (Maschinenschrauben) oder mit Gewinde versehenen Sperringen.
Die unterschiedlichen Kraftungleichgewichte (infolge unterschiedlicher Einlaßdrücke an den zwei Stufen) führen zu einer höheren Regelabweichung in der ersten Stufe, die jedoch in der zweiten korrigiert wird.
Der Druckregler gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einem Druckbegrenzungsventil bzw. Druckablaßventil versehen, das dazu ausgelegt ist, in Funktion zu treten, falls ein Fehler in der ersten Reglerstufe eintritt. Im Falle eines solchen Fehlers würde der Druck des Gases, das in die zweite Stufe eintritt, wesentlich höher sein als normal. Um die zweite Stufe und andere stromabwärtsliegende Komponenten vor den Auswirkungen eines derart hohen Druckes zu schützen, ist ein Druckablaßventil zwischen der ersten und zweiten Stufe vorgesehen, welches aus einem Kolben mit niedriger Masse, einer PRV-Feder und einem PRV-Turm besteht. Das Ventil ist so ausgelegt, dass es eine kreisförmige Fläche um den Kolben aufweist, die gleich der PRV-Öffnungsfläche ist. Dies ermöglicht es, dass der Ablaßdruck auf eine größere Fläche wirkt, wenn ein vorbestimmter Druck (der Auslegungspunkt) in dem PRV erreicht ist und der Kolben von seinem Sitz abhebt, um den Druck abzulassen, so dass der Kolben weit geöffnet wird und einen sofortigen Druckablaß ermöglicht. Es wurde herausgefunden, dass es nicht notwendig ist, eine externe Einstellung dieses vorbestimmten Druckes bereitzustellen, da eine Änderung von +/- 5% des Einstellpunktes akzeptabel ist und einen adäquaten Schutz für den Regler bereitstellt.
Der PRV-Turm ist durch beliebige bekannte Mittel an der Reglerbasis befestigt, beispielsweise durch Maschinenschrauben, die durch einen Flansch an der Basis des PRV-Turms hindurchtreten. Das Ventil kann durch kostengünstige Druckgußtechniken hergestellt sein oder durch bekannte spanabhebende Bearbeitungsmethoden von korrosionsfesten Materialien wie beispielsweise Aluminium oder Messing.
Der Auslaß des Druckablaßventils kann in die Atmosphäre, in eine Sammel- oder Wiedergewinnungskammer geführt werden.
In dem Gehäuse ist eine Aufnahme für einen Hochdrucksender vorgesehen, um einen optionalen Hochdrucksender aufzunehmen, der dazu verwendet werden kann, den Zylinderdruck zu messen. Ein Druckabgriff verbindet die Öffnung zu der Hochdruckbohrung stromabwärts von dem Hochdrucksolenoid in einer solchen Weise, dass eine teilweise Begrenzung des schnellen Druckanstiegs erfolgt, der auftritt, wenn das "Sofort-an"-Solenoid öffnet (wodurch die Kontaktarm- und Dichtungsgeschwindigkeit im Sender reduziert wird). Demzufolge wird der Hochdrucksender nur unter Druck gesetzt, wenn das Solenoid aktiviert ist, und nicht unter Druck gehalten, wenn das Solenoid geschlossen ist. Dies verlängert die Lebensdauer des Hochdrucksenders.
Information zur Kraftstoffeinlaßtemperatur kann in Verbindung mit dem Hochdrucksender dazu verwendet werden, ein temperaturkompensiertes Signal für eine bessere Kraftstoffmeßgenauigkeit bereitzustellen.
Die Fluiddurchtritte zur Steuerung der Temperatur verlaufen um den äußeren Umfang des Gehäuses und sind so ausgelegt, dass sie eine Erwärmung bzw. Heizung der Reglerbasis und der auf dieser montierten Komponenten bereitstellen. Die gesamte zusammengefaßte Durchtrittslänge ist so ausgelegt, dass sie eine ausreichende Wärmeübertragung bereitstellt, um die Gastemperatur um 100º Celsius bei maximalem Durchfluß und Zylinderdruck (etwa zwei kW Wärme in einigen Anwendungen) anzuheben und die Wärmeverluste durch die Gasexpansion zu kompensieren. Die modulare Konstruktion der vorliegenden Erfindung erlaubt die Verwendung von Hochdruckgasdurchtritten, die signifikant länger sind als diejenigen in derzeit verwendeten Reglern und sorgt für eine verbesserte Wärmeübertragung von dem Kühlmittel auf das unter Druck stehende Gas. Die Verhältnisse von Oberfläche zu Volumen sowie eine geeignete Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials können so ausgewählt werden, dass die Wärmeübertragung optimal ausgelegt wird. Die Querschnittsfläche der Wärmefluiddurchtritte kann minimiert werden, um eine minimale Abzweigung des Kühlmittelstroms von einem Motor zu ermöglichen. Es wird davon ausgegangen, dass die Auslegung geeigneter Fluiddurchtritte zum Wissen des Fachmanns gehört.
Ein Auslaßendtemperatursensor kann auf der Oberseite oder einer Seitenfläche in einer Linie mit dem Auslaßdurchtritt zwischen dem Federturm der zweiten Stufe und dem PRV-Türm angeordnet sein. Die Reglerauslegung erlaubt das Anbringen von einem Kraftstoffeinlaß- oder Kraftstoffauslaßtemperatursensor oder von beidem. Der Temperatursensor kann von den meisten Erwärmungseffekten des Reglergehäuses isoliert werden, um eine exakte Messung der Temperatur des vom Zylinder strömenden Kraftstoffs zu ermöglichen. Dieser Temperatursensor kann mit der Kraftstoffdrucksendereinheit kombiniert werden, um ein temperaturkompensiertes Kraftstoffmeßsignal bereitzustellen.
Der offenbarte Zweistufenregler ist wesentlich kompakter als derzeit in Verwendung befindliche Regler. Die Anschlüsse für den Einlaß, den geregelten Auslaß, den PRV-Auslaß und den Kühlmitteleinlaß und -auslaß befinden sich auf der Vorderseite und erlauben es somit, dass die Einheit unter Verwendung von einer der vier verbleibenden Seiten montiert wird. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Anguß für den Einlaß so ausgelegt, dass eine gerade O-Ring-Passung mit Gewinde verwendet werden kann; die Angüsse für die verbleibenden Anschlüsse sind für aufgeweitete 45º-Anschlüsse ausgelegt, so dass eine maximale Anschlußrotation sowie ein Beibehalten der Anschlußoptionen möglich ist. Mit geringen oder keinerlei Änderungen der Angüsse können andere Anschlußtypen ausgewählt und verwendet werden.
Im Betrieb tritt das unter Druck stehende Erdgas, das einen Druck von 120 psig bis hinauf zu 5.000 psig aufweisen kann, in den Regler ein und tritt durch den Filter in die erste Stufe des Reglers. Es verläuft nach oben durch die Zapfenöffnung. Die Federn der ersten Stufe wirken gegen den Gasdruck, um die Öffnung in einer offenen Stellung zu halten, wobei sie die Strömung des Gases von dem unter Druck stehenden Vorratszylinder in die erste Stufe des Reglers regeln. Der Druck wird auf etwa 120 bis 250 psig reduziert.
Von der ersten Stufe tritt das Gas durch einen Übergangsdurchtritt in die zweite Stufe ein. Mit diesem Übergangsdurchtritt verbunden ist ein Durchtritt zu dem Druckablaßventil, das, wie zuvor erläutert, dann öffnen soll, wenn ein Fehler in der ersten Stufe des Reglers auftritt, um die stromabwärtsliegenden Komponenten vor dem hohen Druck des ungeregelten Gases zu schützen.
Von dem Übergangsdurchtritt strömt das Erdgas nach oben durch die Zapfenöffnung der zweiten Stufe des Reglers; in der zweiten Stufe wird der Druck auf etwa 100 psig (oder einen anderen Druck, der durch Auswahl von geeigneten Federn ausgewählt und beibehalten wird, im allgemeinen im Bereich von 50 bis 150 psig) reduziert.
Die Türme der ersten und zweiten Stufe, des Druckablaßventils, des Kraftstoffvorratdrucksenders, des Filters und des Hochdrucksolenoids sind alle von ähnlicher Höhe, was zu einem ganzen im wesentlichen rechtwinkligen kompakten Aufbau führt, der die Verwendung einer Bauteilabdeckung erleichtert.
Der offenbarte Zweistufendruckregler gemäß der vorliegenden Erfindung weist gegenüber bekannten Reglern verschiedene Vorteile auf, die aus seiner neuartigen Struktur resultieren. Er führt zu einer geringeren Regelabweichung oder einem geringeren "Grad an Unsicherheit über den Betriebsdruck". Es liegt eine geringere Leckage vor, wenn das Erdgas nicht verwendet wird. Die verbesserte Auslegung führt zu einem geringeren Kriechen oder "Anstieg des Drucks über Normal", wenn die Einspritzdüsen bzw. die Einspritzanlage abgeschaltet sind und kein Bedarf an Druckgas besteht. Der modulare Aufbau führt zu Flexibilität bezüglich der Anschlüsse und einer Kompaktheit mit vermehrten Montageoptionen.
Der Druckregeler gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert zu seiner Funktion einen geringeren Einlaßdruck und kann bei so niedrigen Zylinderdrücken wie 100 bis 120 psig betrieben werden. Es kann somit mehr Kraftstoff aus dem Kraftstoffzylinder verwendet werden, bevor dieser wieder befüllt werden muß. Bekannte Druckregler arbeiten lediglich herab bis zu Zylinderdrücken von 200 bis 250 psig.
Der Regler bietet ein besseres Zeitansprechverhalten aufgrund seiner Auslegung bezüglich geringerer Regelabweichung und der Verwendung von leichtgewichtigen Bauteilen, was zu einem ausgeglicheneren Betrieb führt.
Der Regler ist dazu in der Lage, unterschiedliche Auslaßdrücke bereitzustellen, wobei eine geringe Regelabweichung beibehalten wird, indem in den Federturm bzw. den Federtürmen der ersten und/oder zweiten Stufe die Federn ausgewechselt werden oder eine voreingestellte Spannung verändert wird.
Schließlich stellt der Regler eine abgeglichene zweite Stufe für nochmals geringere Regelabweichung bei konsequent reduziertem Risiko von Leckage bereit.
Die Auslegung gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt, dass diese Komponenten in einer relativ kleinen und kompakten Einheit zusammengefügt werden.
Aus einer Durchsicht der detaillierteren Beschreibung, die im folgenden gegeben wird, ist ersichtlich, dass die Auslegung des Hochdrucksensors der Solenoidanordnung in anderen Anwendungen nützlich ist und beispielsweise verwendet werden kann als:
Reihenabsperrsolenoid für Erdgas;
Zylinderabsperrsolenoid;
Zylinderbefüllungssystem-Reihenabsperrsolenoid, wenn Merkmale einschließlich Filterung, Druck- und Temperaturerfassung, Druckablaßventil, Anschlüsse für eintretendes und austretendes Gas, manueller Bypass und eine Zuleitungsentlüftung hinzugefügt werden;
automatisches Ventil an einer Abgabevorrichtung einer Erdgasfahrzeugbefüllungsstation;
automatisches Notabschaltventil in Erdgasfahrzeugbefüllungsstationen;
automatisches Zwischenstufenventil an Kompressoren bei Erdgasbefüllungsstationen und
Auffüllabschaltsolenoid in Verbindung mit der Befüllungsaufnahme.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht des Druckreglers gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die die Oberseite, die Vorderseite und eine Seite des Reglers zeigt.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Druckreglers gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die die Unterseite, die Rückseite und eine Seite des Reglers zeigt.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf einen Druckregler gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4 ist ein Vertikalschnitt des Druckreglers gemäß Fig. 3 längs der Linie 4--4 in Fig. 3, der die erste und zweite Stufe des Reglers in einer Schnittansicht zeigt.
Fig. 4A ist ein Vertikalschnitt einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer druckabgeglichenen Konfiguration der zweiten Stufe.
Fig. 5 ist eine Teilschnittansicht der Zapfenanordnung der ersten Stufe des in Fig. 4 gezeigten Druckreglers.
Fig. 6 ist eine Teilschnittansicht der Zapfenanordnung der zweiten Stufe des in Fig. 4 gezeigten Druckreglers.
Fig. 7 ist ein Vertikalschnitt des in Fig. 3 gezeigten Druckreglers längs der Linie 7--7 in Fig. 3, der die zweite Stufe und die Druckablaßventilanordnung des Reglers gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 7A ist ein horizontaler Teilschnitt des in Fig. 7 gezeigten Druckreglerkolbens längs der Linie 7A-7A.
Fig. 8 ist ein Teilschnitt des NGV-Einlaßfilterbereichs längs der Schnittlinie 8-8 in Fig. 3, der die Filteranordnung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 9 ist ein Teilschnitt des Hochdrucksolenoids der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung längs der Schnittlinie 9-9 in Fig. 3.
Fig. 10 ist eine Schnittansicht der Drucksenderanordnung.
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

ARTEN DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 umfaßt die vorliegende Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform einen zweistufigen Regler mit einer Basis oder einem Gehäuse 100, in die bzw. das durch Bohren oder auf andere Art und Weise mehrere Öffnungen und Kanäle geformt sind, die im folgenden detailliert beschrieben werden. In dem Grundkörper des Gehäuses 100 sind mehrere Montagebohrungen 102 an bis zu vier Flächen der Basis angeordnet, wodurch eine größere Flexibilität bezüglich der Auswahl, wie die Anordnung in einer gewünschten Applikation installiert werden soll, bereitgestellt wird. Mehrere Stopfen 104 sind ebenfalls bereitgestellt, um die durch Bohren der Erdgasverbindungsöffnungen oder Produktionsteststellen sowie der Kanäle für die Übertragung des Temperatursteuerfluids innerhalb des Gehäuses gebildeten Öffnungen zu schließen. Auf dem Gehäuse ist eine Filteranordnung 200, ein Regelturm 500 der ersten Stufe, eine Soforteinschaltsolenoidanordnung 300, ein Regelturm 700 der zweiten Stufe, eine Druckbegrenzungsventil- bzw. Druckablaßventil- ("PRV") anordnung 600 und eine Zylinderdrucksensoranordnung 400 angeordnet.
In dem Gehäuse sind Öffnungen 162 für den Eintritt von Temperatursteuerfluid und 164 für den Austritt von Temperatursteuerfluid sowie Öffnungen 103 und 106 für den Eintritt bzw. Austritt von Erdgas oder anderen Fluiden, deren Druck reguliert werden soll, vorgesehen.
Fig. 2 zeigt eine andere perspektivische Ansicht der zweistufigen Regleranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die die Unterseite und Rückseite der Basis zeigt sowie die Stellen der Ausnehmungen, die darin für die erste und zweite Stufe der Regleranordnung ausgebildet sind. Der Verschlußstopfen 107 für die erste Stufe und der Verschlußstopfen 108 für die zweite Stufe sind als in der Basis eingesetzt dargestellt, um die Öffnungen, die beim Bohren der Bereiche der zwei Druckkammern ausgebildet wurden, zu verschließen.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht des Druckreglers gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Filteranordnung 200, der Soforteinschaltsolenoidventilanordnung 300, der optionalen Zylinderdrucksensoranordnung 400, des Turms 500 für die erste Reglerstufe, der Druckbegrenzungsventilanordnung 600 und des Turms 700 der zweiten Reglerstufe. In Fig. 4 ist ein Schnitt des Druckreglers gemäß Fig. 3 längs der Linie 4-4 in dieser Figur dargestellt. Fig. 4 zeigt den inneren Aufbau und Mechanismus der ersten und zweiten Stufe des zweistufigen Reglers, wobei insbesondere die Federtürme der ersten und zweiten Stufe, die Zapfenanordnungen der ersten und zweiten Stufe, die weiter unten detaillierter beschrieben werden, und die Durchtritte, durch die das Temperatursteuerfluid und die geregelte Gasströmung hindurchtreten, dargestellt sind.
Wie in Fig. 4 gezeigt, weist der Federturm 500 der ersten Stufe eine Federturmabdeckung 502 mit einer oberen Wand 503, Seitenwänden 504 und einem unteren Flansch 505 auf. Zwischen der oberen Wand 503 und den Seitenwänden 504 ist eine Schulter 506 vorgesehen und an der unteren Seite der oberen Wand 503 ist ein Anguß 507 vorgesehen, der dazu ausgelegt ist, die Feder 510 aufzunehmen, wie weiter unten beschrieben. Wie weiter unten detaillierter beschrieben, ist die Bohrung des Federturms größer als die Auslaßkammer 116 der ersten Stufe, so dass ein Absatz 117 gebildet wird, um zu verhindern, dass der Membrankolben 554 die Membran abschert, wenn der Zapfen versagt.
Innerhalb des Federturms der ersten Stufe sind Federn 510 und 512 vorgesehen, wobei die Feder 512 auf der Außenseite der Feder 510 angeordnet ist und die Federn in gegenläufiger Richtung gewickelt sind. Die Federkonstanten sind so ausgewählt, dass sich die gewünschten Auslaßdrücke ergeben. Federn mit unterschiedlichen Federnkonstanten können unterschiedliche Auslaßdrücke annehmen. Der Anguß 507 weist eine solche Abmessung auf, dass er in den Innendurchmesser der ersten Spiralfeder 510 paßt, und die Schulter 506 ist dazu ausgelegt, die äußere Spiralfeder 512 aufzunehmen und zu halten.
Die Federturmabdeckung 502 ist so ausgelegt, dass sie mittels Montageschrauben bzw. bolzen oder anderen nicht gezeigten Befestigungsmechanismen an der Basis 100 angebracht werden kann. Beispielsweise können manipulationssichere Schrauben oder andere Mittel verwendet werden, um den Flansch 505 an der Regleranordnungsbasis 100 zu befestigen.
In Fig. 4 ist ein Federturm 700 für die zweite Stufe gezeigt, der eine Federturmabdeckung 702 mit einer oberen Oberfläche 703, Seitenwänden 704 und einem unteren Flansch 705 aufweist. Zwischen den Seitenwänden 704 und der oberen Oberfläche 703 ist eine Schulter 706 vorgesehen. Der Druck innerhalb des Turms der zweiten Stufe ist durch eine Öffnung oder einen Durchtritt in der Abdeckung 702 oder an einer anderen passenden Stelle auf die Atmosphäre bezogen.
In dem Federturm der zweiten Stufe des Druckreglers befindet sich eine Zapfenanordnung der zweiten Stufe, die detaillierter in Fig. 6 gezeigt ist. Ein Sperring 707 ist dazu vorgesehen, die zweite Federturmanordnung an der Basis zu befestigen.
In der zweiten Federturmanordnung sind eine erste und eine zweite Spiralfeder 710 und 712 angeordnet, die gegenläufig gewickelt sind. Die oberen Enden der Federn 710 und 712 stoßen gegen eine Federeinstellendkappe 720 an, die durch eine Einstellschraube 722 in vertikaler Richtung bewegt werden kann, so dass eine Einstellung der von den Federn 710 und 712 gegen die Zapfenanordnung 750 wirkenden Kraft ermöglicht wird. Die Einstellschraube ist gegen unautorisiertes Einstellen durch eine Manipulationssicherung 724 geschützt, für die eine der verschiedenen bekannten Einrichtungen zum Absichern gegen Manipulation verwendet werden kann. Die Bohrung dieses Federturms ist ebenfalls größer als die Bohrung der korrespondierenden Auslaßkammer, um zu verhindern, dass der Membrankolben die Membrane abschert, wenn der Zapfen versagt.
Die Turmanordnungen der ersten und zweiten Stufe verwenden jede zwei gegenläufig gewickelte Federn, um die Turmhöhe und die Federkonstanten zu minimieren. Durch Minimieren der Federraten für eine gegebene Federturmhöhe führt diese Federanordnung zu einem geringeren Grad an Unsicherheit des Betriebsdrucks ("Regelabweichung"). Das gegenläufige Wickeln der Feder minimiert das Risiko, dass die Windungen der nebeneinanderliegenden Federn während der Bewegungen der Federn ineinandergreifen.
Gemäß Fig. 5 weist die Zapfenanordnung der ersten Stufe eine Membrane 552 auf, die im wesentlichen in horizontaler Richtung angeordnet ist, jedoch eine Rollfaltung 511 aufweist, die sich von der Membrane 552 nach oben erstreckt, um eine Modifikation des Verhaltens der Membrane bereitzustellen. Genauer gesagt, diese Auslegung stellt sicher, dass die Membrane sich immer in Spannung befindet (d. h. nie Scherung oder Druck ausgesetzt ist). Dadurch, dass die Faltung rollt, ist die Membrane nie gezogen oder geknickt (d. h., Hysterese wird in großem Maße eliminiert). Zudem stellt dieser Membranaufbau eine im wesentlichen konstante Arbeitsfläche unabhängig von dem Membranhub, d. h. der Verschiebung der Membrane aus ihrer gegebenen Stellung bereit.
Wie zuvor erläutert, stellt das Vorhandensein der Rollfaltung eine Anzahl von Vorteilen bereit einschließlich einer Zunahme der Lebensdauer der Membrane und erlaubt größere Toleranzen bei der Herstellung der Membrane. Die Rollfaltung eliminiert zudem den Hystereseeffekt, der ansonsten in einer flachen Membrane während der Betriebsverlagerung der Membrane auftritt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann eine "Hut"-artige Membrane (nicht gezeigt) mit einer längeren Faltung anstelle einer Membrane mit einer vorgeformten Faltung verwendet werden. Dies kann dazu verwendet- werden, die Variation der Membranfläche zu minimieren, die ansonsten bei Änderungen in der Stellung der Zapfenanordnung auftreten kann.
Die Membrane 552 ist auf einem unteren Membrananschlag 558 montiert, der einen nach unten gedrehten äußeren Rand 513 und ein mittiges Auge 560 aufweist, das sich durch die Mitte der Membrane 552 erstreckt. Die Membrane ist auf dem unteren Membrananschlag durch einen Membrankolben 554 und einen Haltering 562 gehalten. Ein Federdämpfer 564 ist zwischen dem Haltering 562 und dem nach oben verlaufenden äußeren Umfang des Membrankolbens 554 gehalten. Der Federdämpfer 564 drückt gegen die Seitenwände 504 (gezeigt in Fig. 4) des Federturms, kann jedoch längs der Wände während der Bewegung der Zapfenanordnung der ersten Stufe wandern und dient dazu, Schwingungen der Federanordnungen während Fluktuationen des Fluiddrucks zu minimieren.
In einer anderen Version der bevorzugten Ausführungsform weist der Federdämpfer acht nach oben verlaufende Finger auf, von denen jeder gegen die Seitenwände 504 drückt (gezeigt in Fig. 4). Ein Dämpfer mit acht Fingern stellt in vielen Fällen eine bessere Verteilung der Kraft über die Seitenwände dar als beispielsweise ein Dämpfer mit lediglich vier Fingern, was dazu führt, dass die Tendenz, dass sich Finger in die Seitenwände eingraben, reduziert wird.
In dem mittigen Auge des unteren Membrananschlags ist ein Zapfenschaft 565 angeordnet, der einen verengten mittigen Abschnitt aufweisen kann sowie einen Kopf 566, der mittels eines Zapfenhalters 568 in dem Auge 560 gehalten wird. Am unteren Ende der Zapfenanordnung der ersten Stufe ist ein Ventilzapfen 570 angeordnet, der über ein Gewinde mit dem Zapfenschaft 565 verbunden ist. An dem Ventilzapfen befindet sich eine Ventilzapfendichtung 572, die mittels eines O-Rings 574 in dichtender Anordnung mit dem Ventilzapfen 570 gehalten wird. Falls dies gewünscht wird, kann eine Teflonunterlegscheibe (nicht gezeigt) zwischen der Membran 552 und dem Membrankolben 554 vorgesehen sein, um für einen verbesserten Schutz bei kaltem Wetter zu sorgen. Die Teflonunterlegscheibe verlangsamt die Wärmeübertragung auf die Membrane 552. Alternativ können der Membrankolben 554 und der untere Membrananschlag 558 mit einer Keramikbeschichtung versehen sein, um verbesserte Eigenschaften bei kaltem Wetter bereitzustellen. Die Konfiguration der Federturmkammer (gezeigt in Fig. 4 bei 514) kann zudem dahingehend verändert werden, dass eine "Totgas"-Falle (nicht gezeigt) zwischen der Membran 552 und dem unteren Anschlag 558 bereitgestellt wird, um die Eigenschaften bei kaltem Wetter zu verbessern.
Wie in Fig. 6 gezeigt, ist die Zapfenanordnung der zweiten Stufe in vielerlei Hinsicht ähnlich der Zapfenanordnung der ersten Stufe. Die Zapfenanordnung der zweiten Stufe verfügt über eine Membrane 752, die im wesentlichen in horizontaler Richtung angeordnet ist, jedoch eine Ringfaltung 711 aufweist, die von der Membran 752 nach oben verläuft, um eine Modifikation des Verhaltens der Membrane zu bewirken.
Die Membran 752 ist auf einem unteren Membrananschlag 758 montiert, der einen nach unten gedrehten äußeren Rand 713 und ein mittiges Auge 760, das durch die Mitte der Membran 752 verläuft, aufweist. Die Membrane wird auf dem unteren Membrananschlag mittels eines Membrankolbens 754 und eines Halterings 762 gehalten. Ein Federdämpfer 764 ist zwischen dem Haltering 762 und dem nach oben verlaufenden äußeren Umfang des oberen Membrankolbens 754 gehalten. Der Federdämpfer 764 drückt gegen die Seitenwände 704 des Federturms (gezeigt in Fig. 4), kann jedoch längs der Wände während der Bewegung der Zapfenanordnung der zweiten Stufe wandern.
In dem mittigen Auge des unteren Membrananschlags ist ein Zapfenschaft 765 angebracht, der einen verengten mittigen Abschnitt und einen Kopf 766 aufweisen kann, welcher mittels eines Zapfenhalters 763 in dem Auge 760 gehalten wird. Am unteren Ende der Zapfenanordnung der zweiten Stufe befindet sich ein Ventilzapfen 770, der über ein Gewinde mit dem Zapfenschaft 765 verbunden ist. Um den Ventilzapfen ist eine geformte Gummidichtung 774 vorgesehen. Die signifikant niedrigeren Fluiddrücke in der Druckkammer der zweiten Stufe erlauben die Verwendung einer geformten Gummidichtung mit geringem Risiko einer Deformation der Dichtung, die ansonsten beim Vorhandensein höherer Fluiddrücke öfter in der Druckkammer der ersten Stufe auftreten könnte. Wenn dies gewünscht wird, kann eine Teflonunterlegscheibe zwischen der Membran 752 und dem Membrankolben 754 hinzugefügt werden, um einen verbesserten Schutz während kalten Wetters bereitzustellen. Die Teflonunterlegscheibe verlangsamt die Wärmeübertragung auf die Membrane 752. Alternativ können der Membrankolben 754 und der untere Membrananschlag 758 mit Keramik beschichtet sein, um eine solche verbesserte Kaltwettereigenschaft bereitzustellen. Zudem kann die Konfiguration der Federturmkammer (bei 714) dahingehend verändert werden, dass eine "Totgas"-Falle zwischen der Membrane 752 und dem unteren Anschlag 758 zum Verbessern der Eigenschaften bei kaltem Wetter bereitgestellt wird.
Wie zuvor erläutert, sind die Zapfenanordnungen der ersten und zweiten Stufe in gewisser Weise ähnlich. Einige Komponenten können austauschbar sein, um die Herstellungs-, Lagerhaltungs-, und andere mit der Verwendung unterschiedlicher Teile zusammenhängender Kosten zu minimieren. In der bevorzugten Ausführungsform können beispielsweise die Membran 552 und 752, die Membrankolben 554 und 754, die Membrananschläge 558 und 758, die Halteringe 562 und 762, die Federdämpfer 564 und 764 sowie die Zapfenhalter 568 und 763 die gleichen Spezifikationen haben oder in anderer Art und Weise austauschbar sein zur Verwendung sowohl in der Zapfenanordnung der ersten oder der zweiten Stufe.
Wie in Fig. 4 gezeigt, tritt das Fluid unter Druck durch den Einlaß 103, gezeigt in Fig. 1, in das Gehäuse ein und tritt durch die im folgenden näher beschriebene Filteranordnung. Das Fluid tritt durch die Einlaßöffnung 152 in die erste Stufe des Druckreglers ein zu der Zapfenkammer 154 der ersten Stufe, die im wesentlichen den Druck des Gasvorratszylinders aufweist. Das Fluid tritt in gesteuerter Art und Weise durch den Spalt zwischen der Zapfendichtung 572 und den Zapfenkammerwänden 114 hindurch und daraufhin durch den Druckrückgewinnungsabschnitt 112 der ersten Stufe.
Die Strömung des Fluids wird reguliert durch die kombinierte Kraft, die von den Federn 510 und 512 und der Membrane 552 (gezeigt in Fig. 5) ausgeübt wird, die dazu tendiert, die Zapfenanordnung in eine offene Position zu drücken, während der Druck des Fluids in der Zapfenkammer 154, der gegen die Membran 552 (gezeigt in Fig. 5) drückt, dazu tendiert, den Zapfen in eine geschlossene Stellung zu bewegen. Die Zapfenkammer 154 weist eine nach unten gerichtete integrale Leiteinrichtung 155 auf, um ein exzessives Verwirbeln des durch die Kammer strömenden Gases zu verhindern. Die Leiteinrichtung reduziert den Druckabfall in dem durch die Kammer strömenden Gas, wodurch der Betrieb des Reglers bei niedrigeren Zufuhrdrücken möglich ist. Die Membrane 552 (gezeigt in Fig. 5) sorgt für eine Dichtung gegenüber dem Entweichen von Gas nach oben durch den Turm der ersten Stufe und erlaubt eine ruckfreie vertikale Bewegung des Zapfens zwischen der geschlossenen und voll geöffneten Stellung.
Längs des Umfangs der Auslaßkammer 116 ist eine Stufe 117 vorgesehen, um gegen den nach unten gekrümmten Rand des unteren Membrananschlags anzustoßen, damit verhindert wird, dass sich die Ventilanordnung der ersten Stufe über eine vorgewählte Strecke hinaus bewegt. Um die Charakteristiken bei hoher Durchströmung weiter zu verbessern, weist die Auslaßkammer der ersten Stufe eine Einsenkung 118 auf, um einen weicheren Übergang zwischen der Auslaßkammer und dem Kanal, der mit der zweiten Stufe kommuniziert, zu erzeugen.
Der untere Membrananschlag 558, wie er in Fig. 5 gezeigt ist, begrenzt die obere Wand der Auslaßkammer 116 der ersten Stufe. Die erste Stufe regelt das Fluid, das durch den Druckwiedergewinnungsabschnitt 112 der ersten Stufe zu der Auslaßkammer 116 der ersten Stufe, wie in Fig. 4 gezeigt, fließt. Das Fluid tritt dann durch die erste Stufe zu dem Durchgangsdurchtritt 159 der zweiten Stufe in die Zapfenkammer 180 der zweiten Stufe ein. Wiederum tritt das Fluid durch den Räum, der zwischen der Zapfendichtung der zweiten Stufe, einer geformten Gummidichtung 774 (wie in Fig. 6 gezeigt), und den als integralen Teil der Basis ausgebildeten Schultern 126 der zweiten Stufe zur Verfügung steht.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Krümmungsradius der Schulter 777 in der geformten Gummidichtung 774 (gezeigt in Fig. 6) so ausgewählt, dass er dem Krümmungsradius der Schultern 126 entspricht. Einander entsprechende Radii können als ein Mittel dazu verwendet werden, den Ausschubfaktor des strömenden Gases durch Reduzieren von Turbulenz und Druckabfall in diesen Gasen beträchtlich zu steigern. Die Krümmung der Auskehlung 775 in dem Zapfenschaft 765 kann mit der Krümmung der geformten Gummidichtung 774 strömungsgünstig gestaltet werden, um die Tendenz eines Druckabfalls in dieser Zone weiter abzusenken.
Die Strömung der Fluids durch die Kammer der zweiten Stufe wird durch die kombinierte Kraft geregelt, die von den Federn 710 und 712 und der Membran 752 (gezeigt in Fig. 6) ausgeübt wird, die dazu tendieren, die Zapfenanordnung der zweiten Stufe in eine offene Stellung zu bewegen. Der Druck des Fluids in der Zapfenkammer 180, der gegen die Membran 752 (gezeigt in Fig. 6) wirkt, stellt eine entgegengesetzte Kraft bereit, die dazu tendiert, den Zapfen der zweiten Stufe in eine geschlossene Stellung zu bewegen. Die Membran 752 stellt eine Dichtung gegen das Entweichen von Fluid nach oben durch den Turm der zweiten Stufe dar und erlaubt eine ruckfreie vertikale Bewegung des Zapfens der zweiten Stufe zwischen der geschlossenen und voll geöffneten Stellung. Der untere Membrananschlag 758, wie er in Fig. 6 gezeigt ist, begrenzt die obere Wand des oberen Bereichs 216 der Auslaßkammer der zweiten Stufe.
In der Auslaßkammer 216 ist eine Stufe 717 vorgesehen, um mit dem äußeren Rand 713 des unteren Membrananschlags 758 in Eingriff zu gelangen und hierdurch eine Verschiebung der Zapfenanordnung der zweiten Stufe über einen gewählten Punkt hinaus zu verhindern. Die Auslaßkammer der zweiten Stufe weist eine spiralförmige Rampe (nicht gezeigt) auf, um eine Regelabweichung weiter zu reduzieren. Die Rampe erzeugt höhere Gasgeschwindigkeiten und einen weicheren Übergang zum Auslaß hin. Die Rampe kann mittels Schmiedetechniken in die Basis eingefügt werden, was typischerweise weniger kostenintensiv ist als maschinelle Bearbeitung. Das geregelte Fluid tritt daraufhin durch den Auslaßdurchtritt 156, der mit der Auslaßöffnung 106, gezeigt in Fig. 1, kommuniziert.
Ein abnehmbarer Endverschluß 580 ist dazu vorgesehen, den unteren Abschnitt der Zapfenkammer 154 der ersten Stufe zu umgeben. Der Endverschluß 580 kann entfernt werden, um Zugang zu der Zapfenkammer der ersten Stufe erhalten, um Zusammenbau, Wartung oder Inspektion der im Inneren arbeitenden Teile durchzuführen. Der Endverschluß 580 stellt zudem eine Zentrierung des Zapfens dar. Ein O-Ring 582 ist zwischen der Reglerbasis 100 und dem Endverschluß 580 eingefügt, um eine Dichtung gegen Leckage des Fluids über den Endverschluß 580 bereitzustellen. In gleicher Weise ist ein entfernbarer Endverschluß 780 vorgesehen, um den unteren Abschnitt der Zapfenkammer 180 der zweiten Stufe zu umgeben. Ein entsprechender O-Ring 782 ist dazu vorgesehen, eine Dichtung zwischen der Reglerbasis 100 und dem Endverschluß 780 der zweiten Stufe zu bilden.
Die Fig. 4A zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Änderungen der Zapfenkammer der zweiten Stufe, des Zapfens der zweiten Stufe und entsprechender Elemente. Insbesondere ist eine druckabgeglichene Zapfenanordnung offenbart als alternatives Mittel zum Minimieren der Regelabweichung in dem Regler. Durch Verwendung einer druckabgeglichenen Konfiguration ist es möglich, die Verwendung komplimentierender Radii in der Konfiguration des Zapfens und der durch die Schulter 126 festgelegten korrespondierenden Öffnung zu eliminieren. Zudem wird in vielen Fällen die Notwendigkeit von Federdämpfern eliminiert infolge der dämpfenden Charakteristiken der vorliegenden Ausführungsform.
Gemäß Fig. 4A weist ein Zapfen 770 der zweiten Stufe eine Gummidichtung 799 auf, die in der Nähe der von der Schulter 126 definierten Öffnung auf seiner Fläche befestigt ist. Der untere Abschnitt des Zapfens definiert einen Kanal, um eine O-Ring-Dichtung 793 zu halten. Die Dichtung 793 befindet sich in Eingriff mit einem tassenförmigen Gleitdichtelement 792, um eine im wesentlichen gasdichte Passung zu bilden. Der Zapfen kann relativ frei in dem von der Gleitdichtung 792 gebildeten Gehäuse vertikal gleiten. Die Gleitdichtung 792 ist gegen eine deutliche vertikale Verschiebung mittels eines mit Flansch versehenen Halteelements 791 gehalten. Ein relativ kleiner vertikaler Freigang ist jedoch zwischen dem mit Flansch versehenen Halteelement 791 und der Gleitdichtung 792 vorgesehen, um eine seitliche Gleitbewegung der Gleitdichtung 792 relativ zu dem Endverschluß und dem Halteelement zu erlauben. Es versteht sich, dass die vorliegende Konfiguration unter Verwendung kostengünstigerer Techniken mit höheren Toleranzen gefertigt werden kann.
Das mit einem Flansch versehene Halteelement 791 kann durch Verschraubung oder andere geeignete Mittel an dem Endverschluß 790 befestigt werden. Der untere Bereich des Zapfens 770, die bewegliche Dichtung 792 und die O-Ring- Dichtung 793 definieren einen Raum 796, der mit der Zapfenkammer der zweiten Stufe über einen Kanal oder Bohrung 795 kommuniziert. Die Bohrung 795 weist einen Einlaß 798 zu der zweiten Zapfenkammer auf. Der Einlaß 798 ist durch die Gummidichtung 799 definiert. Es ist ersichtlich, dass Druckdifferenzen zwischen dem Gasreservoir 796 und der zweiten Zapfenkammer zu einem gewissen Maß der von der Federanordnung ausgeübten Kraft entgegenwirken. Dies bedeutet, dass bei einem Zustand reduzierten Drucks in der zweiten Zapfenkammer und einem Zustand höheren Drucks in dem Reservoir 796 die Federn dazu tendieren, den Zapfen weiter zu öffnen, wodurch bewirkt wird, dass Gas von dem Reservoir 796 über den Kanal 795 in die Zapfenkammer austritt. Gleichzeitig bewirkt der gegenwirkende Druck des in dem Reservoir 796 verbleibenden Gases ein Dämpfen der von den Federn ausgeübten Kraft, wenn diese dahingehend wirken, den Zapfen weiter zu der offenen Stellung hin zu bewegen. In Fällen, in denen der Druck in der Zapfenkammer höher ist als im Reservoir 796 und bei einer Tendenz des Hochdruckgases in der Zapfenkammer, den Zapfen zur geschlossenen Stellung hin zu bewegen, wirkt der geringere relative Druck innerhalb des Reservoirs zu einem gewissen Maße dieser Kraft entgegen und reduziert die Tendenz des Zapfens, sich weiter zu der geschlossenen Stellung hin zu bewegen.
Fig. 7 zeigt die Turmanordnung 700 der zweiten Reglerstufe und die Druckbegrenzungsventilanordnung 600 der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die PRV-Anordnung ist über der PRV-Kammer 603 in der Basis 100 (gezeigt in Fig. 1) des Druckreglers angebracht. Die in der Reglerbasis 100 (gezeigt in Fig. 1) ausgebildete PRV-Kammer 603 weist einen unteren Bereich 605 auf, der durch einen Durchtritt 654 mit dem oberen Bereich der Ausnehmung 116 der ersten Stufe (gezeigt in Fig. 4) verbunden ist. Der obere Bereich 607 weist einen größeren Querschnitt auf als der untere Bereich 605, wodurch eine Ablage 608 gebildet wird, auf der der PRV- Kolben 625 gehalten ist.
Die PRV-Anordnung weist ein Gehäuse 610 auf, das an seinem unteren Ende mit der PRV-Kammer 605 verbunden ist. Das Gehäuse definiert eine Auslaßausnehmung 611, einen verengten Austrittshals 612 und eine aufgeweitete Öffnung 614, durch die abgelassene Gase durch die PRV-Auslaßöffnung 130 in die Atmosphäre treten können. Das Gehäuse 610 weist eine mit einem Flansch versehene Basis 616 auf, in die eine Dichtung 636 eingesetzt ist. Die Dichtung 636 sorgt für eine gasdichte Abdichtung zwischen dem PRV-Gehäuse 610 und der Reglerbasis 100 (gezeigt in Fig. 1).
In der PRV-Anordnung ist eine Spiralfeder 620 zwischen dem oberen Ende des Gehäuses 610 und einem PRV-Kolben 625 angeordnet. An der Unterseite des PRV-Kolbens 625 ist eine Dichtung 640 angebracht, die dazu ausgelegt ist, eine druckdichte Abdichtung über der PRV-Kammer 605 unter normalen Betriebsbedingungen beizubehalten. Die Charakteristiken der Feder 620 sollten so ausgewählt sein, dass die gewünschte Druckablaßeinstellung zum Ablassen von Überdruckfluid aus der Anordnung bereitgestellt wird, um die Bauteile der zweiten Stufe der Regleranordnung vor Beschädigung zu schützen. Es versteht sich, dass Überdruckfluid bewirkt, dass der PRV- Kolben nach oben verschoben wird, indem es gegen die Kraft der Feder wirkt und die Feder zusammendrückt, um zu ermöglichen, dass das Überdruckfluid in die Auslaßausnehmung 611 entweicht und dann durch die Auslaßöffnung 130 austritt. Wenn der Druck in der Kammer 605 unter den Wert fällt, der der von der Feder 620 ausgeübten Kraft entspricht, sitzt der PRV-Kolben wieder auf und stellt wiederum eine druckdichte Abdichtung bereit.
Wie in den Fig. 7 und 7A gezeigt, weist der PRV-Kolben 625 einen mittigen hohlen Zylinderabschnitt 632 auf, der dazu ausgelegt ist, das untere Ende der Spiralfeder 620 aufzunehmen und hiermit in Eingriff zu gelangen. Der PRV- Kolben ist vorzugsweise aus einem leichtgewichtigen, korrosionsbeständigen Material gefertigt (z. B. Kunststoff). Um den mittigen zylindrischen Abschnitt 632 sind mehrere Rippen 634 angeordnet, die verschiebbar mit den Wänden des oberen Abschnitt 607 der PRV-Kammer 603 in Eingriff stehen. Die Rippen sind dazu vorgesehen, eine Gleitbewegung des Kolbens längs des oberen Abschnitts der Wände zu fördern und das Risiko zu minimieren, dass der Kolben an den Wänden festfrißt.
Fig. 8 zeigt einen Teilschnitt der NGV-Einlaßfilterfläche der Regleranordnung. Eine Filterkappe 260 ist in der oberen Filtervertiefung 230 positioniert, welche in der Reglerbasis 100 ausgebildet ist. Ein O-Ring 261 ist dazu vorgesehen, eine Dichtung zwischen den aneinanderstoßenden Oberflächen der Filterkappe und der Basis 100 zu bilden, um die Vergrößerung des Angußes zu minimieren. Eine wellenförmige Unterlegscheibe 264 drückt gegen die Filterkappe 260 und übt eine nach unten gerichtete Kraft auf den Einlaßfilter 262 aus. Die Filterkappe 260 kann leicht entfernt werden und anschließend wieder befestigt, um einen Ersatz eines verstopften Einlaßfilters zu erleichtern, ohne dass der Einlaßanschluß abgetrennt werden muß. Der Einlaßfilter 262 weist meist einen im großen und ganzen hohlen zylindrischen Aufbau auf. Die effektive Oberflächenfläche des Filterelements ist größer als diejenige konventioneller Filter. Die effektive Oberflächenfläche besteht aus einem beträchtlichen Teil der Endfläche 268 des Filters (die nicht von der wellenförmigen Unterlegscheibe 264 bedeckt ist) und im wesentlichen der gesamten Umfangsfläche der äußeren Filterwand 269. Eine größere Filteroberflächenfläche erlaubt höhere Fluiddurchflußraten bei signifikant geringerem Druckverlust über den Filter. Eine größere Filterfläche reduziert zudem die Wahrscheinlichkeit eines Verstopfens des Filters und die hieraus resultierende Häufigkeit von Filterwechseln. In der bevorzugten Ausführungsform hat der Einlaßfilter 262 eine Größe von 40 Mikrometer und ist entweder aus gesintertem Edelstahl, gesinterter Bronze oder gesintertem Messingmaterial gefertigt. Das untere Ende 263 des Einlaßfilters 262 ist eng in eine in der Reglerbasis 100 ausgebildete Ausnehmung 235 eingesetzt.
In der Basis 100 ist ein NGV-Einlaßauge 240 vorgesehen. Das Auge 240 enthält die NGV-Einlaßöffnung 103, die mit einem Einlaßkanal 250 kommuniziert. Der Einlaßkanal 250 kommuniziert mit einer äußeren Filterkammer 222, welche sich zwischen einer von der Filterkappe 260 gebildeten Außenwand und einer in der Reglerbasis 100 ausgebildeten Vertiefung 259 und den äußeren porösen Wänden 269 des Einlaßfilters 262 befindet. Eine in der Reglerbasis 100 ausgebildete Vertiefung 257 definiert zusammen mit der inneren Oberfläche des Einlaßfilters 262 eine innere Filterkammer 265. Die äußere Filterkammer 222 kommuniziert mit der inneren Filterkammer 265 durch die mikroskopischen Durchtritte des Einlaßfilters.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass eintretendes Fluid durch die NGV-Einlaßöffnung 103 und durch den Einlaßkanal 250 strömt. Das Fluid tritt in die äußere Kammer 222 ein, die die Außenwand 269 des Einlaßfilters umgibt. Verunreinigungen werden an der äußeren Oberfläche des Einlaßfilters zurückgehalten und hierdurch aus dem Fluid entfernt. Das gefilterte Fluid tritt in die innere Filterkammer 265 ein und fließt anschließend durch einen Verbindungsdurchtritt 266 zu der Hochdrucksolenoidkammer und in die erste Stufe der Regleranordnung.
Fig. 9 zeigt eine Hochdrucksolenoidanordnung 300, die an der Reglerbasis 100 angebracht ist. Die Solenoidanordnung kann abnehmbar an der Reglerbasis befestigt sein mittels Schrauben oder mit Gewinde versehener Passungen, um diese entnehmen und ersetzen zu können, falls dies gewünscht wird. Die Solenoidanordnung weist ein Gehäuse 310 auf, das auf einer Solenoidbasis 331 gehalten wird. Die Solenoidbasis 331 ist in einer Steuerkolbenausnehmung 307 der Reglerbasis 100 eingesetzt. Zum Abdichten der Verbindung zwischen der Solenoidanordnung und der Reglerbasis 100 ist ein O-Ring 309 bereitgestellt. Das Solenoidgehäuse enthält eine Spule 308, die mit einer Stromzufuhr 302 verbunden ist, und ist mittels einer Halteschraube 305 an dem Gehäuse 310 gehalten. Die Spule 308 weist einen relativ kleinen Aufbau auf, wodurch ein kompaktes Design ermöglicht wird, das für die Verwendung in Hochdruckfluidanwendungen geeignet ist. Da dieses Design die Entwicklung relativ kleiner Beträge magnetischer Kraft erfordert, ist die Spule körperlich kleiner (weniger teuer, leichtgewichtiger, leichter zu verschicken) als ältere Designs und erfordert weniger elektrischen Strom, um das Solenoid zu betätigen (was zu höherer Effizienz und geringerer Wärmeerzeugung führt). Die Solenoidspule erstreckt sich oberhalb und außerhalb der Reglerbasis 100. Der Steuerkolben 306 verläuft nach oben von innerhalb der Solenoidbasis 331 bis in die Vertiefung, die von der Solenoidspule 308 umgeben wird.
Ein Primärkolbenhohlraumendstopfen 320 ist durch Verschraubung an der Reglerbasis 100 befestigt. Ein O-Ring 322 sorgt für eine austrittsichere Abdichtung zwischen dem Endstopfen 320 und der Reglerbasis 100. Der Primärkolbenhohlraum 351 ist durch das Reglergehäuse 100 und den Endstopfen 320 definiert. Der Primärkolbenhohlraum 351 nimmt den Primärkolben 379 auf, der dazu verwendet wird, die Strömung des Fluids in die erste Stufe der Regleranordnung ein- oder auszuschalten, wie im folgenden näher beschrieben wird.
Von der Filteranordnung strömt Fluid durch den Durchtritt 266, der mit dem Primärkolbenhohlraum 351 kommuniziert, wenn der Primärkolben sich in der "Ein"-Stellung befindet und somit ermöglicht, dass Fluid längs des Verbindungskanals 152 zu der Zapfenkammer der ersten Stufe strömt.
In der bevorzugten Ausführungsform weist das Sofort-Ein- Solenoid einen solenoidbetätigten Steuerkolben 306 auf, der gegen eine kleine Steueröffnung 373 abdichtet, sowie einen Primärkolben 379, der gegen die Hauptströmungsöffnung 376 abdichtet. Der Primärkolben 379 enthält einen reibungsarmen (Teflontyp) Dichtungsring 362, der den Kolben in der Bohrung abdichtet, wobei er eine Bewegung erlaubt, und sorgt für eine Coulomb-Dämpfung von Schwingungen des Primärkolbens. Eine kleine Austrittsöffnung 375 (im Durchmesser kleiner als die Steueröffnung) ist in dem Primärkolben angebracht, die eine kontrollierte Leckagerate über den Kolben erlaubt. Zusätzlich weist der Primärkolben eine Dichtungshalteschraube 377 mit abgeschrägtem Kopf auf, die dicht in die Primäröffnung paßt. Die Halteschraube verhindert eine Extrusion der Primäröffnungsdichtung 381, wenn der Zuführdruck hoch ist, und reduziert Schwingungen des Primärkolbens durch Begrenzen der Strömung bei kleinen Kolbenhüben. Von dem Steuerkolbenhohlraum wird der Druck durch eine Bohrung 371 zu dem Primärkolbenhohlraum übertragen. Aus dieser Beschreibung ist ersichtlich, dass zwischen dem Primärkolben und dem Steuerkolben eine pneumatische Verbindung besteht, wodurch die Konstruktion einer Solenoidanordnung wesentlich geringerer Größe möglich ist, die zudem kostengünstiger ist als typische Solenoidanordnungen, die elektromagnetische Kopplungen aufweisen. Wie in Fig. 9 gezeigt, ist der Kanal 152 mit einer Venturi-Düse 144 versehen, um den Druckverlust in dem Gas, das über dem Primärkolben strömt, insbesondere bei hohen Durchflußraten weiter zu reduzieren.
In der "Aus"-Stellung drückt die Steuerkolbenrückholfeder 382 den Steuerkolben 306 abdichtend gegen die Steuerkolbenöffnung 373. Druck vom Durchtritt 266 wird dann auf die Rückseite des Steuerkolbens 379 über die Austrittsöffnung 375 übertragen und gleicht sich über dem Primärkolben aus. Die Primärkolbenrückholfeder 380 drückt daraufhin den Primärkolben abdichtend gegen die Primäröffnung.
In der "Ein"-Stellung wird der Steuerkolben von der Solenoidspule zurückgezogen, so dass Fluid von dem Steuerkolbenhohlraum 378 in den Kanal 152 strömen kann. Der resultierende Druckverlust wird zu der Rückseite des Primärkolbens 379 über die Bohrung 371 übertragen. Die auf den Primärkolben wirkende resultierende Druckdifferenz überwindet die Kraft der Rückholfeder und der Öffnungsunterschied bewirkt das Öffnen des Primärkolbens.
Wenn eine Sofort-Ein-Solenoidanordnung für eine bestimmte Regleranordnung nicht erforderlich oder gewünscht ist, kann der Steuerkolbenhohlraum 378 weggelassen und der Primärkolbenstopf en 379 durch einen bekannten Spreizstopfen ersetzt werden. Bei anderen Anwendungen, bei denen ein Hochdrucksolenoid nicht erforderlich ist, kann in dem Primärkolbenhohlraum ein bekanntes Zweistufensolenoid installiert werden, wobei sich die Spule und das Solenoidgehäuse von der Vorderfläche 191 der Reglerbasis nach außen erstrecken.
Ein Hochdrucksender (nicht gezeigt) kann ebenfalls vorgesehen werden, um den Zuführzylinderdruck zu messen, falls dies gewünscht wird. Beispielsweise kann in einigen Anwendungen ein Hochdrucksender nicht als Bauteil der Regleranordnung erforderlich sein, insbesondere dann, wenn eine Drucksendereinrichtung in der Nähe des Hochdruckfluidzuführzylinders existiert. In der bevorzugten Ausführungsform ist eine Drucksenderanordnung 400 in Fig. 10 gezeigt. In der Reglerbasis 100 ist eine Hochdrucksenderbohrung 1001 bereitgestellt, um die Hochdrucksenderanordnung aufzunehmen. Eine Druckmeßbohrung 1002 oder ein Kanal verbindet die Senderbohrung 1001 mit dem Hochdruckverbindungskanal 152 stromabwärts von der Hochdrucksolenoidanordnung. Der schmale Spalt zwischen den Außengewindegängen des Drucksenders 400 und den Innengewindegängen der Drucksenderbohrung 1001 bildet einen spiralförmigen Spalt längs des spiralförmigen Wegs des Schraubengewindes, der eine Verteilöffnung 1003 bildet, die eine teilweise Begrenzung des schnellen Druckanstiegs ergibt, der auftritt, wenn das Hochdrucksolenoid öffnet. Dies führt zu einer weniger extremen Druckänderungsrate, der der Drucksender ausgesetzt ist, wodurch die Haltbarkeit verbessert und die Lebensdauer verlängert wird.
Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die dazu ausgelegt ist, in Verbindung mit einer Erdgasquelle verwendet zu werden, um ein Motorfahrzeug zu betreiben. In vielen Motorfahrzeuganwendungen beginnen die Betriebszylinderdrücke typischerweise bei Drücken bis zu 4500 psig. Es versteht sich für den Fachmann, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch dazu ausgelegt sein können, Einlaßdrücken bis zu 5.000 psig standzuhalten. Bei Verwendung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sollte es in vielen Fällen möglich sein, das Motorfahrzeug bis zu Zylindermeßdrücken zu betreiben, die auf etwa 120 psig abfallen können. Es ist festzustellen, dass bekannte zweistufige Druckregler einen minimalen Zylinderdruck von etwa 200 bis 450 psig benötigen, um weiter betrieben werden zu können. Hieraus ergibt sich, dass die Betriebsbereiche durch Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vergrößert werden können.
In Fig. 11 umschließt eine gestrichelte Linie die Elemente der bevorzugten Ausführungsform. Außerhalb des Zweistufenreglers sind eine Kraftstoffeinlaßquelle, die Hochdruckkraftstoff zu dem Einlaßfilter hinführt, ein elektronisches Steuermodul, das zur Steuerung des Sofort-Ein- Solenoids und des Hochdrucksenders verwendet wird, sowie Kühlmitteleinlaß- und -auslaßleitungen zum Zirkulieren von Temperatursteuerfluid durch die Reglerbasis vorgesehen. Auf der rechten Seite der schematischen Zeichnung und außerhalb der gepunkteten Darstellung des Reglers sind ein PRV- Auslaßanschluß und ein Kraftstoffauslaß gezeigt, die die Zufuhr von druckreduziertem Erdgas zu dem Antriebsaggregat des Fahrzeugs darstellen.
Wie zuvor erläutert, strömt Hochdruckerdgas durch einen 40 Mikrometer-Filter, wenn sich das Sofort-Ein-Solenoid in der offenen Stellung befindet in Übereinstimmung mit Signalen, die von einem elektrischen Steuermodul empfangen werden. Der Druck des durch das Solenoid strömenden eintretenden gefilterten Gases wird von einem Hochdrucksender gemessen, der zwischen dem Sofort-Ein-Solenoid und der Anordnung der ersten Stufe angeordnet ist. Hochdruckgas strömt in die erste Stufe des Reglers ein und tritt bei zwischen 150 bis 250 psig (während normalen Betriebsbedingungen) aus, um der Anordnung der zweiten Stufe zugeführt zu werden. Das Druckbegrenzungsventil (PRV) ist mit dem Fluidströmungsweg zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe verbunden, um Überdruckerdgas, welches von der ersten Stufe über einer vorbestimmten Einstellung von 325 psig abströmt, abzulassen. Dies bedeutet, das PRV öffnet, um Überdruckgas abzulassen, damit die Bauteile der zweiten Stufe vor den Wirkungen von übermäßig hohen Gasdrücken geschützt sind. Von der Anordnung der ersten Stufe austretendes Erdgas fließt zu der Anordnung der zweiten Stufe zum Zwecke weiterer Druckregulierung, was dazu führt, dass eine Kraftstoffaustrittsströmung bei einem Druck von etwa 100 psig (oder einem anderen Druck, der ausgewählt und durch Auswahl der Feder bereitgestellt wird) erfolgt. Die schematische Darstellung zeigt weiterhin, dass die Betriebsdrücke der Anordnungen des PRV und der zweiten Druckreglerstufe auf den Atmosphärendruck bezogen sind. Der Betriebsauslaßdruck der Anordnung der ersten Stufe ist jedoch unter normalen Betriebsbedingungen auf den Einlaß- bzw. Auslaßdruck der Anordnung der zweiten Stufe bezogen.

Claims

1. Zweistufen-Druckregleranordnung zum Regeln eines Hochdruckfluids mit

(a) einer Reglerbasis (100), die eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweist;

(b) einer ersten Druckkammer (116), die in der Basis (100) definiert ist,

(c) einer zweiten Druckkammer (216), die in der Basis (100) definiert und so ausgelegt ist, daß sie mit der ersten Druckkammer (116) in pneumatischer Verbindung ist,

(d) einer Einlaßeinrichtung (103, 152), die in der Basis (100) definiert und so ausgelegt ist, daß sie Hochdruckfluid von einer externen Zuführung zu der ersten Druckkammer (116) überträgt,

(e) einer Auslaßeinrichtung (106, 155), die in der Basis (100) definiert und so ausgelegt ist, daß sie druckreguliertes Fluid von der zweiten Druckkammer (216) überträgt, wobei zumindest die Einlaßeinrichtung (152) oder die Auslaßeinrichtung (156) durch die erste Fläche definiert ist;

(f) einer ersten Regeleinrichtung, die dazu ausgelegt ist, zu verhindern, daß Fluid bei einem Druck über einem ersten vorbestimmten Niveau durch die erste Druckkammer (116) strömt, umfassend:

(i) eine in der Basis (100) bereitgestellte erste Ventilsitzeinrichtung (114);

(ii) eine erste Ventileinrichtung (570), die dazu ausgelegt ist, mit der ersten Ventilsitzeinrichtung (114) in Eingriff zu gelangen, wenn sich die erste Ventileinrichtung (570) in einer geschlossenen Stellung befindet, wodurch verhindert wird, daß Fluid durch die erste Druckkammer (116) strömt;

(iii) eine erste Betätigungseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, die erste Ventileinrichtung (570) zu einer offenen Stellung hin zu bewegen, wenn der Fluiddruck in der ersten Kammer (116) unter dem ersten vorbestimmten Druckniveau ist, und die Bewegung der ersten Ventileinrichtung (570) zu einer geschlossenen Stellung erlaubt, wenn der Fluiddruck über dem ersten vorbestimmten Druckniveau ist, wobei die erste Betätigungseinrichtung umfaßt:

a) eine erste Membrane (552), die mit der ersten Ventileinrichtung (570) verbunden ist;

b) eine erste Federeinrichtung (510, 512) mit zwei gegenläufig gewickelten Federn, von denen eine von der anderen umgeben ist, die dazu ausgelegt ist, zusammen mit der ersten Membrane (552) die erste Ventileinrichtung (570) von einer geschlossenen Stellung weg zu bewegen, wenn der Fluiddruck in der ersten Kammer (116) unter dem ersten vorbestimmten Druckniveau ist;

c) eine Einrichtung (502, 507) zum Halten der ersten Federeinrichtung (510,512) in vorgespannter Relation zu der ersten Membrane (552);

(g) einer zweiten Regeleinrichtung, die dazu ausgelegt ist, zu verhindern, daß Fluid bei einem Druck über einem zweiten vorbestimmten Niveau durch die zweite Kammer (216) strömt, umfassend:

(i) eine in der Basis (100) bereitgestellte zweite Ventilsitzeinrichtung (126);

(ii) eine zweite Ventileinrichtung (770), die dazu ausgelegt ist, mit der zweiten Ventilsitzeinrichtung (126) in Eingriff zu gelangen, wenn sich die zweite Ventileinrichtung (770) in einer geschlossenen Stellung befindet, wodurch verhindert wird, daß Fluid durch die zweite Druckkammer (216) strömt;

(iii) eine zweite Betätigungseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, die zweite Ventileinrichtung (770) zu einer offenen Stellung hin zu bewegen, wenn der Fluiddruck in der zweiten Kammer (216) unter dem zweiten vorbestimmten Druckniveau ist, wobei die zweite Ventileinrichtung (770) in der offenen Stellung so ausgelegt ist, daß Fluid zu der Auslaßeinrichtung (156) strömen kann, wobei die zweite Betätigungseinrichtung die Bewegung der zweiten Ventileinrichtung (770) zu der geschlossenen Stellung erlaubt, wenn der Fluiddruck über dem ersten vorbestimmten Druckniveau ist, wobei die zweite Betätigungseinrichtung umfaßt:

a) eine zweite Membrane (752), die mit der zweiten Ventileinrichtung (770) verbunden ist;

b) eine zweite Federeinrichtung (710, 712) mit zwei gegenläufig gewickelten Federn, von denen eine von der anderen umgeben ist, die dazu ausgelegt ist, zusammen mit der zweiten Membrane (752) die zweite Ventileinrichtung (770) von einer geschlossenen Stellung weg zu bewegen, wenn der Fluiddruck in der zweiten Druckkammer (216) unter dem zweiten vorbestimmten Druckniveau ist;

c) eine Einrichtung (720) zum Halten der zweiten Federeinrichtung (710, 712) in vorgespannter Relation zu der zweiten Membrane (752);

(h) wobei alle in der ersten und zweiten Regeleinrichtung bereitgestellten Federeinrichtungen (510, 512; 710, 712) dazu dienen, die jeweilige Ventileinrichtung (570, 770) in Richtung weg von einer geschlossenen Stellung vorzubelasten.

2. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 1, zudem aufweisend eine Strömungssteuereinrichtung (300), die dazu ausgelegt ist, in einer offenen Stellung die Strömung von Hochdruckfluid durch die Regleranordnung zuzulassen, und dazu ausgelegt ist, die Strömung von Hochdruckfluid durch die Regleranordnung zu verhindern, wenn sich die Strömungssteuereinrichtung (300) in einer geschlossenen Stellung befindet.

3. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 2, wobei die Strömungssteuereinrichtung (300) umfaßt;

(a) eine solenoidbetätigte erste Stopfeneinrichtung (306), die dazu ausgelegt ist, zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung betrieben zu werden;

(b) eine zweite Stopfeneinrichtung (379), die dazu ausgelegt ist, durch einen ersten Kanal (371, 375) mit der ersten Stopfeneinrichtung (306) in pneumatischer Verbindung zu stehen und zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung betrieben zu werden, wobei die zweite Stopfeneinrichtung (379) dazu ausgelegt ist, sich in ihre erste Stellung zu bewegen, wenn die erste Stopfeneinrichtung (306) sich in ihre erste Stellung bewegt;

(c) eine durch die erste Stopfeneinrichtung festgelegte zweite Kanaleinrichtung (373), die dazu ausgelegt ist, mit der ersten Druckkammer (116) in Verbindung zu stehen, wenn sich die erste Stopfeneinrichtung in der ersten Stellung befindet, und diese Verbindung in der zweiten Stellung zu verhindern, wobei die erste Kanaleinrichtung und die zweite Kanaleinrichtung (373) deutlich unterschiedliche Durchmesser aufweisen.

4. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 3, zudem aufweisend einen Fluiddrucksender (400), der abnehmbar an der Basis (100) befestigt ist und mit der Einlaßeinrichtung (152) in Verbindung steht, wobei der Drucksender zwischen der Strömungssteuereinrichtung (300) und der ersten Druckkammer (116) angeordnet ist.

5. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 1, zudem aufweisend eine Druckablaßeinrichtung (600), die mit der ersten Druckkammer (116) in Verbindung steht und dazu ausgelegt ist, Hochdruckfluid von der Regleranordnung abzulassen, wenn der Druck des aus der ersten Druckkammer (116) austretenden Fluids einen vorgewählten Druck übersteigt.

6. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 5, wobei die Einlaßeinrichtung (152) und die Auslaßeinrichtung (156) durch die erste Fläche festgelegt werden und wobei die Druckablaßeinrichtung (600) und die erste und zweite Betätigungseinrichtung im wesentlichen auf der zweiten Fläche angeordnet sind.

7. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 1, zudem aufweisend eine Einrichtung (200), die dazu ausgelegt ist, Verunreinigungen von zu der ersten Druckkammer (116) strömendem Hochdruckfluid zu filtern.

8. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 7, wobei die Filtereinrichtung (200) ein Filtergehäuse (260) aufweist, das zur abnehmbaren Befestigung an der Reglerbasis (100) ausgelegt ist, wobei das Gehäuse eine im wesentlichen zylinderförmige Filterkammer (265) festlegt, sowie ein entfernbares Filterelement (262) von im wesentlichen hohlzylindrischem Querschnitt mit einem ersten geschlossenen Ende (268) und einem zweiten offenen Ende (263), das eine zylindrische Oberfläche festlegt, wobei das Filterelement dazu ausgelegt ist, in die zylindrische Filterkammer (265) eingesetzt zu werden, um im wesentlichen die gesamte zylindrische Oberfläche dem Hochdruckfluid auszusetzen.

9. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 8, wobei das Filterelement (262) aus gesintertem Metall gefertigt ist, welches rostfreien Stahl, Bronze oder Messing enthält.

10. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 3 und 7, wobei die Filtereinrichtung (200) mit der Einlaßeinrichtung (152) in Verbindung steht und zwischen der Einlaßeinrichtung (152) und der Strömungssteuereinrichtung (300) angeordnet ist.

11. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 1, zudem aufweisend eine Temperatursteuereinrichtung, die dazu ausgelegt ist, temperatursteuerndes Fluid durch die Basis (100) zu übertragen, wobei die Temperatursteuereinrichtung eine Einlaßöffnung (162) und eine Auslaßöffnung (164) aufweist und zumindest eine der beiden Öffnungen durch die erste Fläche festgelegt wird.

12. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 6 und 11, wobei die Temperatursteuereinlaßöffnung (162) und die Temperatursteuerauslaßöffnung (164) sowie die Einlaßeinrichtung (152) und die Auslaßeinrichtung (156) von der ersten Fläche festgelegt werden und wobei die Druckablaßeinrichtung (600) und die erste (500) und zweite (700) Betätigungseinrichtung im wesentlichen auf der zweiten Fläche angeordnet sind.

13. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 1, 5 und 8, wobei die Druckablaßeinrichtung (600), die Filtereinrichtung (200) und die erste (570) und zweite (770) Ventileinrichtung dazu ausgelegt sind, abnehmbar mit der Basis (100) in Eingriff zu gelangen.

14. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 1, zudem aufweisend eine Einrichtung (722) zum Anpassen der Einstellung des zweiten vorbestimmten Druckniveaus.

15. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 14, wobei die Einrichtung (502, 507) zum Halten der ersten Federeinrichtung und die Einrichtung (702, 720) zum Halten der zweiten Federeinrichtung dazu ausgelegt sind, abnehmbar mit der Basis (100) in Eingriff zu gelangen.

16. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 15, zudem aufweisend einen ersten Federdämpfer (564), der dazu ausgelegt ist, die Vorspannbewegung der ersten Federeinrichtung (510, 512) zu dämpfen.

17. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 16, wobei der erste Federdämpfer mehrere Finger (564) aufweist, die die erste Federeinrichtung (510, 512) umgeben und von dieser nach außen vorstehen.

18. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 17, zudem aufweisend einen zweiten Federdämpfer (764), der dazu ausgelegt ist, die Vorspannbewegung der zweiten Federeinrichtung (710, 712) zu dämpfen.

19. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 18, wobei der zweite Federdämpfer mehrere Finger (764) aufweist, die die zweite Federeinrichtung (710, 712) umgeben und von dieser nach außen vorstehen.

20. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Ventilsitzeinrichtung (114) eine erste Öffnung festlegt und die zweite Ventilsitzeinrichtung (126) eine zweite Öffnung festlegt, die relativ zu dem Durchmesser der ersten Öffnung einen gleichen oder größeren Durchmesser aufweist.

21. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 20, wobei die erste (570) und zweite (770) Ventileinrichtung eine halbkugelförmige Dichtfläche festlegen und die erste Öffnung und die zweite Öffnung jeweils eine konische Form aufweisen.

22. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 1, zudem aufweisend eine Druckausgleicheinrichtung, die einen Speicher (796) mit einem im wesentlichen tassenförmigen Schwebeelement (792) darin aufweist, wobei das Schwebeelement (792) dazu ausgelegt ist, in im wesentlichen abdichtender Weise mit der zweiten Ventileinrichtung (770) in Eingriff zu gelangen, wobei das Schwebeelement (792) desweiteren einen Kanal (795) festlegt, der zwischen dem Speicher (796) und der zweiten Druckkammer (216) verläuft.

23. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 22, wobei die zweite Ventileinrichtung (770) zudem eine Dichteinrichtung (793) aufweist und das Schwebeelement (792) dazu ausgelegt ist, mit der Dichteinrichtung (793) in Eingriff zu gelangen.

24. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Membrane (552) und die zweite Membrane (752) jeweils eine ringförmige Rollfaltung (511, 711) in der Nähe ihrer Außenkante aufweisen.

25. Zweistufen-Druckregleranordnung nach Anspruch 1, wobei die Regler-Basis (100) aus einem Stück gefertigt ist.