EP2010983A2 - Pressure regulator for gaseous media - Google Patents

Pressure regulator for gaseous media

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EP2010983A2
EP2010983A2 EP07727841A EP07727841A EP2010983A2 EP 2010983 A2 EP2010983 A2 EP 2010983A2 EP 07727841 A EP07727841 A EP 07727841A EP 07727841 A EP07727841 A EP 07727841A EP 2010983 A2 EP2010983 A2 EP 2010983A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
control unit
housing chamber
pressure regulator
gas
Prior art date
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Ceased
Application number
EP07727841A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Georg Bachmaier
Gerit Ebelsberger
Matthias Gerlich
Michael HÖGE
Erhard Magori
Randolf Mock
Harry SCHÜLE
Stefan Treinies
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/02—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with gaseous fuels
    • F02D19/026—Measuring or estimating parameters related to the fuel supply system
    • F02D19/027—Determining the fuel pressure, temperature or volume flow, the fuel tank fill level or a valve position
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D7/00—Control of flow
    • G05D7/06—Control of flow characterised by the use of electric means
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    • F02D19/021—Control of components of the fuel supply system
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M21/023—Valves; Pressure or flow regulators in the fuel supply or return system
    • F02M21/0239—Pressure or flow regulators therefor
    • G—PHYSICS
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    • G05D16/20—Control of fluid pressure characterised by the use of electric means
    • G05D16/2093—Control of fluid pressure characterised by the use of electric means with combination of electric and non-electric auxiliary power
    • G05D16/2097—Control of fluid pressure characterised by the use of electric means with combination of electric and non-electric auxiliary power using pistons within the main valve
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    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the aim of the invention is to provide a pressure regulator for gaseous media, the output side pressure level can be changed relatively quickly over a wide range or set to a predetermined value.
  • This object is achieved by a pressure regulator with the features specified in claim 1.
  • the dependent claims relate to advantageous embodiments and further developments of the pressure regulator according to claim 1.
  • the pressure regulator according to the invention can be used, in particular, in a CNG-operated vehicle as an electronically controllable pressure reducer for keeping the system pressure at the blow valve constant or, in conjunction with a motor-operated nozzle or a blow-in valve, as an electronically controlled dosing unit for gaseous media.
  • a CNG-operated vehicle as an electronically controllable pressure reducer for keeping the system pressure at the blow valve constant or, in conjunction with a motor-operated nozzle or a blow-in valve, as an electronically controlled dosing unit for gaseous media.
  • the pressure at the outlet of the pressure reducer or a mass flow can be controllably changed, since the control unit inducing the change of state contains an electromechanical converter as an actuator which responds very quickly to electrical signals and is controlled, for example, by a motor control.
  • Figure 1 shows the schematic structure of a pressure regulator according to the invention for a CNG-powered internal combustion engine
  • Figures 2 and 3 two variants of the gas supply of a CNG-powered internal combustion engine.
  • the control unit 1 of the pressure regulator shown only schematically in FIG. 1 for a CNG-powered internal combustion engine is equipped with an electromechanical converter 11 controlled by the engine control (not shown) as an actuator.
  • a piezoelectric actuator is considered as the electromagnetic transducer 11, since its length can be changed very quickly by applying an electrical voltage in a defined and reproducible manner.
  • the electromechanical transducer 11 acts on a cylinder 13 axially displaceably mounted in a piston 13, which closes the housing 12 of the control unit 1 at the same time gas-tight transducer side.
  • conical, conical or plate-shaped head 21 of the piston 13 connected to the plunger 22 closes the sealing opening formed as a sealing opening 14 of the partition wall 15, so that no natural gas of the lower housing chamber 16 in which hereinafter referred to as working chamber, upper housing chamber 17 can flow.
  • the plunger head 21 serving as a valve also remains in this position when the piezoelectric actuator 11 due to a defect fails or he should not be controllable for other reasons. This behavior ensures that the pressure regulator remains closed in the event of a fault for safety reasons ("normally off").
  • the force Fp P 1n ⁇ A2 + P2 ⁇ (Al-A2), where P 1n or P2 the chamber pressures already mentioned, Al the plunger-side surface of the piston 13 and A2 denote the pressure-effective surface of the plunger head 21.
  • the plunger head 21 thus only lifts off from its sealing seat and releases the passage opening 14 when the force induced by active charging of the piezoelectric actuator 11 change in length of the piezoelectric body exerts a force F of the conditions F piezoz > F p sufficient force on the piston 13 and the piston 13 and the attached plunger 22 move in the axial direction down.
  • the cylindrical housing 31, the pressure reducer 3 controlled by the control unit 1, is subdivided into three chambers 35-37 by a piston 32 (valve-side surface A3) displaceably guided in the axial direction and a partition wall 34 provided with a, for example, circular passage opening 33.
  • a piston 32 valve-side surface A3
  • a partition wall 34 provided with a, for example, circular passage opening 33.
  • the passage opening 33 of the partition 34 th more or less free or seals them off completely. Since the upper housing chamber 35 of the pressure reducer 3 is fluidically connected via a feed line 40 to the working chamber 17 of the control unit 1, the pressure P2 also prevails there.
  • the lower housing chamber 37 of the pressure reducer 3 is filled from the storage unit 19 with natural gas and the chamber pressure as ⁇ P held constant at 1n.
  • a gas pressure P out is established in the middle housing chamber 36 .
  • This pressure P out also prevails in the connected to the Ga sauslass 40 of the middle housing chamber 36 gas line 41, which is closed directly to the respective injection valve on or terminates in a so-called gas manifold.
  • a throttle 2 (cross-sectional area D2) connects the working ⁇ chamber 17 of the control unit 1 with the intermediate housing chamber 36 of the pressure regulator 3 and the gas conduit 41st
  • the two sensors 42/43 detect the accumulator pressure P 1n and the pressure P2 at the gas outlet 40 of the middle housing chamber 36 and report the respective measured values to the motor control, so that they control the piezoelectric actuator accordingly and readjust the pressure P2 or set it to a predetermined desired value ,
  • Natural gas can now flow from the lower housing chamber 16 into the working chamber 17 so that both the gas pressure P2 in the working chamber 17 and in the upper housing chamber 35 of the pressure reducer 3 connected to the working chamber 17 increases.
  • Exceeds the gas pressure P2 in the housing chamber 35 a from the storage pressure P 1n and the areas A3 and A4 of the piston 32 and the plunger head 38 dependent threshold value moves the piston 32 and the mechanically rigidly connected thereto plunger 39 together with valve 38 downward.
  • Natural gas can therefore flow into the middle housing chamber 36 and via its outlet 40 into the gas line 41. This gas flow is further enhanced by a design-dependent smaller gas flow, which Chamber of 17 of the control unit 1 via the throttle 2 flows.
  • the injection process starts when the pressure P out depending on the surfaces Al, A2, D2, A3 and A4 reaches the target value and the engine control opens the injection valve.
  • the piston 13 of the control unit 1 By discharging the piezoelectric actuator 11, the piston 13 of the control unit 1 is pushed back up to its initial position due to the then prevailing pressure conditions, so that the valve 21 prevents an overflow of natural gas from the lower housing chamber 16 into the working chamber 17.
  • the dynamics of this shooting process depends on the size of the throttle diameter D2. With the pressure P2 in the working chamber 17 and the pressure in the upper housing chamber 35 of the pressure reducer 3 decreases accordingly and the valve 38 shoots. The blowing process is over.
  • the gas supply to each of the cylinders of the internal combustion engine 50 consists, for example, of a CNG storage tank 51 fed pressure regulator 52 according to Figure 1 and an electromagnetically actuated Einblasventil 53. Not shown are still required shut-off valves and temperature and pressure sensors.
  • a motor control 54 controls, in addition to the various engine components, both the injection valve 53 and the pressure regulator 52 and its piezoelectric actuator.
  • the gas supply to the internal combustion engine can be achieved by dispensing with the individual filling of the individual cylinders. considerably simplify.
  • the natural gas is therefore no longer in the intake manifold of the respective cylinder, so separately ⁇ blow, but already mixed in the collector of the intake manifold of the sucked air.
  • this metering unit 60 consisting of the above-described pressure regulator and a nozzle actuated by the pressure regulator, operated by stepping or servomotors.
  • this unit which unites the functions of the pressure regulator and the injection valve, a controllable mass flow can be generated, controlled by the engine control unit 54, and fed to the engine via a throttle 55.

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Abstract

Disclosed is a pressure regulator which can be used particularly in a CNG-operated motor vehicle as an electronically controlled pressure reducer for maintaining the gas pressure constant on the injection valve used for filling the respective cylinder. Said pressure regulator is composed of a control unit (1), a pressure reducer (3) that is controlled by the control unit (1), and a throttle (2) which connects the gas outlets (20, 40) of the working chamber (17) of the control unit (1) and the pressure reducer (3). A piezoelectric actuator (11) which affects the valve (21, 22) of an overflow device (14) makes it possible to specifically modify the gas pressure (P2) in the working chamber (17) of the control unit (1) and simultaneously influence the position of the valve (38, 39) of the overflow device (33) of the pressure reducer (3), thus allowing the output pressure (Pout) of the pressure reducer (3) to be adjusted to a predefined desired value.

Description

Druckregler für gasförmige MedienPressure regulator for gaseous media
1. Einleitung und Stand der Technik1. Introduction and prior art
Als umweltschonende und kostengünstige Alternative zu Diesel¬ oder Benzinkraftstoff kommt insbesondere natürliches Erdgas in Betracht. Um das als Kraftstoff dienende Erdgas in ausrei¬ chender Menge in einem Kraftfahrzeug mitführen zu können, wird es, je nach Gasmenge und Temperatur, auf etwa 10-200 bar komprimiert in einen druckdichten Tank gespeichert. Der Spei¬ cherdruck liegt somit deutlich höher als der Arbeitsdruck der die Zylinder des Motors jeweils befüllenden Einblasventile. Die Kraftstoffversorgung eines mit Compressed Natural Gas (CNG) -betriebenen Kraftfahrzeugs ist deshalb mit einem zwischen dem Gasspeicher und dem Einblasventil angeordneten, beispielsweise aus der DE 195 24 413, der US 5,771,857 oder der US 6,003,543 bekannten Druckminderer oder Druckregler ausgestattet, der den bis zu 200 bar betragenden Speicher- druck auf einen voreingestellten Wert von typischerweise 8 bar absenkt.As an environmentally friendly and economical alternative to diesel or gasoline ¬ fuel especially natural gas is concerned. In order to carry the serving as fuel natural gas in suffi ¬ cient amount in a motor vehicle, it is, depending on the amount of gas and temperature, compressed to about 10-200 bar stored in a pressure-tight tank. The Spei ¬ cherdruck is thus significantly higher than the working pressure of the cylinders of the engine respectively filling Einblasventile. The fuel supply of a compressed natural gas (CNG) -driven motor vehicle is therefore equipped with a arranged between the gas storage and the injection valve, for example from DE 195 24 413, US 5,771,857 or US 6,003,543 known pressure reducer or pressure regulator, the up to 200 bar reduces to a preset value of typically 8 bar.
Strömt aufgrund eines abrupten Lastwechsels sehr viel Erdgas in die Zylinder des Verbrennungsmotors, sinkt der Druck in der das Einblasventil mit Erdgas versorgenden Zuleitung zeit¬ weise unter den gewünschten Solldruck ab, da der Druckregler auf diesen Druckabfall erst zeitverzögert reagiert. Dieses Verhalten wirkt sich nachteilig auf die gewünschte Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs aus. Es wird deshalb versucht, die Lage der Gasleitung zwischen dem Druckminderer-/-regler und dem zugeordneten Einblasventil möglichst klein zu halten. In der Praxis lässt sich dies allerdings nur eingeschränkt verwirklichen, da der Einbau des Druckminderers/-reglers in der Nähe des Einblasventils erhebliche konstruktive Probleme be- reitet. Außerdem führt das Zusammendrücken der beiden Komponenten zu einer entsprechenden Verlängerung der speichersei- tigen, hochdruckfesten und damit vergleichsweise teuren Gas¬ leitung. 2. Ziele und Vorteile der ErfindungFlows due to an abrupt load change much natural gas in the cylinders of the engine, the pressure drops in the injection valve with gas supplying lead time ¬, under the desired set pressure from, since the pressure regulator to this pressure drop reacts with a time delay. This behavior adversely affects the desired driving dynamics of the motor vehicle. It is therefore attempted to keep the position of the gas line between the pressure reducer - / - regulator and the associated injection valve as small as possible. In practice, however, this can only be achieved to a limited extent because the installation of the pressure reducer / regulator in the vicinity of the injection valve causes considerable design problems. In addition, the compression of the two components leads to a corresponding extension of the memory side, high pressure resistant and thus comparatively expensive gas ¬ line. 2. Objects and advantages of the invention
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Druckreglers für gasförmige Medien, dessen ausgangsseitiges Druckniveau sich vergleichsweise schnell über einen weiten Bereich verändern oder auf einen vorgegebenen Wert einstellen lässt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Druckregler mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter- bildungen des Druckreglers gemäß Patentanspruch 1.The aim of the invention is to provide a pressure regulator for gaseous media, the output side pressure level can be changed relatively quickly over a wide range or set to a predetermined value. This object is achieved by a pressure regulator with the features specified in claim 1. The dependent claims relate to advantageous embodiments and further developments of the pressure regulator according to claim 1.
Der erfindungsgemäße Druckregler kann insbesondere in einem CNG - betriebenen Fahrzeug als elektronisch steuerbarer Druckminderer zur Konstanthaltung des Systemdrucks am Ein- blasventil zum Einsatz kommen oder, in Verbindung mit einer motorisch betätigten Düse bzw. einem Einblasventil, als elektronisch gesteuerte Dosiereinheit für gasförmige Medien Verwendung finden. Es besteht somit die Möglichkeit, die Funktion des Druckreglers und die des Einblasventils in einer einzigen, kompakt aufgebauten und von der Motorsteuerung kontrollierten Einheit zu verwirklichen.The pressure regulator according to the invention can be used, in particular, in a CNG-operated vehicle as an electronically controllable pressure reducer for keeping the system pressure at the blow valve constant or, in conjunction with a motor-operated nozzle or a blow-in valve, as an electronically controlled dosing unit for gaseous media. Thus, it is possible to realize the function of the pressure regulator and that of the injection valve in a single, compact and controlled by the engine control unit.
Mit Hilfe der Erfindung lässt sich der Druck am Ausgang des Druckminderers bzw. ein Massenstrom steuerbar ändern, da die die Zustandsänderung herbeiführende Steuereinheit einen auf elektrische Signale sehr schnell ansprechenden und beispielsweise von einer Motorsteuerung kontrollierten elektromechani- schen Wandler als Stellglied enthält.With the aid of the invention, the pressure at the outlet of the pressure reducer or a mass flow can be controllably changed, since the control unit inducing the change of state contains an electromechanical converter as an actuator which responds very quickly to electrical signals and is controlled, for example, by a motor control.
3. Zeichnungen3. Drawings
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen erläutert.The invention will be explained below with reference to drawings.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 den schematischem Aufbau eines erfindungsgemäßen Druckreglers für einen CNG-betriebenen Verbrennungsmotor Figur 2 und 3: zwei Varianten der Gasversorgung eines CNG-be- triebenen Verbrennungsmotors .Figure 1 shows the schematic structure of a pressure regulator according to the invention for a CNG-powered internal combustion engine Figures 2 and 3: two variants of the gas supply of a CNG-powered internal combustion engine.
4. Beschreibung der Ausgangsbeispiele:4. Description of the starting examples:
4.1 Der Aufbau des Druckreglers4.1 The structure of the pressure regulator
Die Steuereinheit 1 des in Figur 1 nur schematisch dargestellten Druckreglers für einen CNG-betriebenen Verbrennungsmotor ist mit einem von der Motorsteuerung (nicht gezeigt) kontrollierten, elektromechanischen Wandler 11 als Stellglied ausgestattet. Als elektromagnetischer Wandler 11 kommt insbe- sondere ein piezoelektrischer Aktuator in Betracht, da sich dessen Länge sehr schnell durch anlegen einer elektrischen Spannung in definierter und reproduzierbarer Weise ändern lässt. Der elektromechanische Wandler 11 wirkt auf einen in einem zylindrischen Gehäuse 12 axialverschiebbar gelagerten Kolben 13, der gleichzeitig das Gehäuse 12 der Steuereinheit 1 wandlerseitig gasdicht abschließt. Eine mit einer insbesondere kreisförmigen Durchtrittsöffnung 14 versehene Trennwand 15 unterteilt das Gehäuse 12 der Steuereinheit 1 in zwei zylindrische Kammern 16/17, wobei in der über eine hochdruck- feste Zuleitung 18 mit dem Erdgasspeicher 19 verbundene untere Gehäusekammer 16 der Speicherdruck P1n= 200-250 bar, am Gasauslass 20 der oberen Gehäusekammer 17 ein niedriger Druck P2 ≤ Pm herrscht.The control unit 1 of the pressure regulator shown only schematically in FIG. 1 for a CNG-powered internal combustion engine is equipped with an electromechanical converter 11 controlled by the engine control (not shown) as an actuator. In particular, a piezoelectric actuator is considered as the electromagnetic transducer 11, since its length can be changed very quickly by applying an electrical voltage in a defined and reproducible manner. The electromechanical transducer 11 acts on a cylinder 13 axially displaceably mounted in a piston 13, which closes the housing 12 of the control unit 1 at the same time gas-tight transducer side. A partition wall 15 provided with a circular opening 14 in particular divides the housing 12 of the control unit 1 into two cylindrical chambers 16/17, wherein in the lower housing chamber 16 connected to the natural gas reservoir 19 via a high-pressure-resistant supply line 18 the accumulator pressure P 1n = 200- 250 bar, the gas outlet 20 of the upper housing chamber 17, a low pressure P 2 ≤ Pm prevails.
Im Ruhezustand (nicht angesteuerter bzw. entladener piezoelektrischer Aktuator 11) verschließt der als Ventil dienende, kegel-, konus- oder tellerförmige Kopf 21 des mit dem Kolben 13 verbundenen Stößels 22 die als Dichtsitz ausgebildete Durchtrittsöffnung 14 der Trennwand 15, so dass kein Erdgas von der unteren Gehäusekammer 16 in die im folgenden als Arbeitskammer bezeichnete, obere Gehäusekammer 17 strömen kann. Der als Ventil dienende Stößelkopf 21 verbleibt in dieser Position auch dann, wenn der piezoelektrische Aktuator 11 aufgrund eines Defektes ausfällt oder er aus anderen Gründen nicht mehr ansteuerbar sein sollte. Dieses Verhalten gewährleistet, dass der Druckregler im Falle einer Störung aus sicherheitstechnischen Gründen geschlossen bleibt („normally off") .In the idle state (not controlled or discharged piezoelectric actuator 11) serving as a valve, conical, conical or plate-shaped head 21 of the piston 13 connected to the plunger 22 closes the sealing opening formed as a sealing opening 14 of the partition wall 15, so that no natural gas of the lower housing chamber 16 in which hereinafter referred to as working chamber, upper housing chamber 17 can flow. The plunger head 21 serving as a valve also remains in this position when the piezoelectric actuator 11 due to a defect fails or he should not be controllable for other reasons. This behavior ensures that the pressure regulator remains closed in the event of a fault for safety reasons ("normally off").
In dem in Figur 1 gezeigten Zustand wird auf den Kolben 13 und damit auch auf den piezoelektrischen Aktuator 11 die Kraft Fp=P1n x A2 + P2 x (Al - A2 ) , wobei P1n bzw. P2 die be- reits erwähnten Kammerdrücke, Al die stößelseitige Fläche des Kolbens 13 und A2 die druckwirksame Fläche des Stößelkopfes 21 bezeichnen. Der Stößelkopf 21 hebt somit erst dann von seinem Dichtsitz ab und gibt die Durchtrittsöffnung 14 frei, wenn die durch aktives Aufladen des piezoelektrischen Aktua- tors 11 erzwungene Längenänderung des Piezokörpers eine der Bedingungen Fpiezo > Fp genügende Kraft auf den Kolben 13 ausübt und sich der Kolben 13 und der daran befestigte Stößel 22 in axialer Richtung nach unten bewegen.In the state shown in FIG. 1, on the piston 13 and thus also on the piezoelectric actuator 11, the force Fp = P 1n × A2 + P2 × (Al-A2), where P 1n or P2 the chamber pressures already mentioned, Al the plunger-side surface of the piston 13 and A2 denote the pressure-effective surface of the plunger head 21. The plunger head 21 thus only lifts off from its sealing seat and releases the passage opening 14 when the force induced by active charging of the piezoelectric actuator 11 change in length of the piezoelectric body exerts a force F of the conditions F piezoz > F p sufficient force on the piston 13 and the piston 13 and the attached plunger 22 move in the axial direction down.
Das zylindrische Gehäuse 31 das von der Steuereinheit 1 kontrollierten Druckminderers 3 wird durch einen in axialer Richtung verschiebbar geführten Kolben 32 (ventilseitige Fläche A3) und eine mit einer beispielsweise wieder kreisförmigen Durchtrittsöffnung 33 versehenden Trennwand 34 in drei Kammern 35-37 unterteilt. Je nach Lage des die obere Kammer 35 gasdicht abschließenden Kolbens 32 innerhalb des Gehäuses 31, gibt der als Ventil dienende kegel-, konus- oder tellerförmige Kopf 38 (druckwirksame Fläche A4) des mit dem Kolben 32 verbundenen Stößels 39 die Durchtrittsöffnung 33 der Trennwand 34 mehr oder weniger frei oder dichtet diese vollständig ab. Da die obere Gehäusekammer 35 des Druckminderers 3 über eine Zuleitung 40 mit der Arbeitskammer 17 der Steuereinheit 1 strömungstechnisch verbunden ist, herrscht dort ebenfalls der Druck P2. Über eine Abzweigung 18' der Zulei- tung 18 wird die untere Gehäusekammer 37 des Druckminderers 3 von der Speichereinheit 19 mit Erdgas befüllt und der Kammer¬ druck so konstant auf P1n gehalten. In der mittleren Gehäusekämmer 36 stellt sich ein Gasdruck Pout ein. Dieser Druck Pout herrscht auch in der mit dem Ga- sauslass 40 der mittleren Gehäusekammer 36 verbundenen Gasleitung 41, welche direkt an das jeweilige Einblasventil an- geschlossen ist oder in eine so genannte Gas- Sammelleitung mündet .The cylindrical housing 31, the pressure reducer 3 controlled by the control unit 1, is subdivided into three chambers 35-37 by a piston 32 (valve-side surface A3) displaceably guided in the axial direction and a partition wall 34 provided with a, for example, circular passage opening 33. Depending on the position of the upper chamber 35 gas-tight sealing piston 32 within the housing 31, serving as a valve cone, cone or plate-shaped head 38 (pressure-effective area A4) connected to the piston 32 plunger 39, the passage opening 33 of the partition 34th more or less free or seals them off completely. Since the upper housing chamber 35 of the pressure reducer 3 is fluidically connected via a feed line 40 to the working chamber 17 of the control unit 1, the pressure P2 also prevails there. Processing via a branch 18 'of the supply leads 18, the lower housing chamber 37 of the pressure reducer 3 is filled from the storage unit 19 with natural gas and the chamber pressure as ¬ P held constant at 1n. In the middle housing chamber 36, a gas pressure P out is established . This pressure P out also prevails in the connected to the Ga sauslass 40 of the middle housing chamber 36 gas line 41, which is closed directly to the respective injection valve on or terminates in a so-called gas manifold.
Eine Drossel 2 (Querschnittsfläche D2) verbindet die Arbeits¬ kammer 17 der Steuereinheit 1 mit der mittleren Gehäusekammer 36 des Druckminderers 3 bzw. der Gasleitung 41.A throttle 2 (cross-sectional area D2) connects the working ¬ chamber 17 of the control unit 1 with the intermediate housing chamber 36 of the pressure regulator 3 and the gas conduit 41st
Die beiden Sensoren 42/43 erfassen den Speicherdruck P1n und den Druck P2 am Gasauslass 40 der mittleren Gehäusekammer 36 und melden die jeweiligen Messwerte an die Motorsteuerung, sodass diese den piezoelektrischen Aktuator entsprechend ansteuern und den Druck P2 nachregeln oder auf einen vorgegebenen Sollwert einstellen kann.The two sensors 42/43 detect the accumulator pressure P 1n and the pressure P2 at the gas outlet 40 of the middle housing chamber 36 and report the respective measured values to the motor control, so that they control the piezoelectric actuator accordingly and readjust the pressure P2 or set it to a predetermined desired value ,
4.2. Die Funktionsweise des Druckreglers4.2. The operation of the pressure regulator
Durch Aufladen des piezoelektrischen Aktuators 11 wird dieser gestreckt und der Kolben 13 im Gehäuse 12 der Steuereinheit 1 nach unten bewegt. Dieser Bewegung folgt der mechanisch starr mit dem Kolben 13 verbundenen Stößel 22, so dass dessen als Ventil ausgebildeter Kopf 21 vom Dichtsitz abhebt und dieBy charging the piezoelectric actuator 11, it is stretched and the piston 13 in the housing 12 of the control unit 1 is moved downward. This movement follows the mechanically rigidly connected to the piston 13 plunger 22 so that its trained as a valve head 21 lifts from the sealing seat and the
Durchtrittsöffnung 14 freigibt. Erdgas kann nun von der unteren Gehäusekammer 16 in die Arbeitskammer 17 einströmen, sodass sich sowohl der Gasdruck P2 in der Arbeitskammer 17 als auch in der mit Arbeitskammer 17 verbundenen oberen Gehäuse- kammer 35 des Druckminderers 3 erhöht. Übersteigt der Gasdruck P2 in der Gehäusekammer 35 einen vom Speicherdruck P1n und den Flächen A3 und A4 des Kolbens 32 bzw. des Stößelkopfes 38 abhängigen Schwellenwert, bewegt sich der Kolben 32 und der mechanisch starr mit diesem verbundene Stößel 39 samt Ventil 38 nach unten. Erdgas kann demzufolge in die mittlere Gehäusekammer 36 und über deren Auslass 40 in die Gasleitung 41 strömen. Verstärkt wird dieser Gasstrom noch durch einen auslegungsbedingt kleineren Gasstrom, welcher aus der Ar- beitskammer 17 der Steuereinheit 1 über die Drossel 2 abfließt. Der Einblasvorgang beginnt, wenn der von den Flachen Al, A2, D2, A3 und A4 abhangige Druck Pout den Sollwert erreicht und die Motorsteuerung das Einblasventil öffnet.Passage opening 14 releases. Natural gas can now flow from the lower housing chamber 16 into the working chamber 17 so that both the gas pressure P2 in the working chamber 17 and in the upper housing chamber 35 of the pressure reducer 3 connected to the working chamber 17 increases. Exceeds the gas pressure P2 in the housing chamber 35 a from the storage pressure P 1n and the areas A3 and A4 of the piston 32 and the plunger head 38 dependent threshold value, moves the piston 32 and the mechanically rigidly connected thereto plunger 39 together with valve 38 downward. Natural gas can therefore flow into the middle housing chamber 36 and via its outlet 40 into the gas line 41. This gas flow is further enhanced by a design-dependent smaller gas flow, which Chamber of 17 of the control unit 1 via the throttle 2 flows. The injection process starts when the pressure P out depending on the surfaces Al, A2, D2, A3 and A4 reaches the target value and the engine control opens the injection valve.
Durch Entladung des piezoelektrischen Aktuators 11 wird der Kolben 13 der Steuereinheit 1 aufgrund der dann herrschenden Druckverhaltnisse nach oben in seine Ausgangslage zurückgeschoben, sodass das Ventil 21 ein Überströmen des Erdgases von der unteren Gehäusekämmer 16 in die Arbeitskammer 17 unterbindet. Die Dynamik dieses Schießvorgangs hangt hierbei von der Große des Drosseldurchmessers D2 ab. Mit dem Druck P2 in der Arbeitskammer 17 sinkt auch der Druck in der oberen Gehausekammer 35 des Druckminderers 3 entsprechend ab und das Ventil 38 schießt. Der Einblasvorgang ist damit beendet.By discharging the piezoelectric actuator 11, the piston 13 of the control unit 1 is pushed back up to its initial position due to the then prevailing pressure conditions, so that the valve 21 prevents an overflow of natural gas from the lower housing chamber 16 into the working chamber 17. The dynamics of this shooting process depends on the size of the throttle diameter D2. With the pressure P2 in the working chamber 17 and the pressure in the upper housing chamber 35 of the pressure reducer 3 decreases accordingly and the valve 38 shoots. The blowing process is over.
4.3. Die Gasversorgung des Verbrennungsmotors4.3. The gas supply of the internal combustion engine
Wie die Figur 2 schematisch zeigt, besteht die Gasversorgung jedes der Zylinder des Verbrennungsmotors 50 beispielsweise aus einem vom CNG-Speichertank 51 gespeisten Druckregler 52 gemäß Figur 1 und einem elektromagnetisch betätigten Einblasventil 53. Nicht dargestellt sind noch benotigte Absperrventile sowie Temperatur- und Drucksensoren. Eine Motorsteuerung 54 kontrolliert, neben den verschiedenen Motorkomponenten, sowohl das Einblasventil 53 als auch den Druckregler 52 bzw. dessen piezoelektrischen Aktuator. Da die Motorsteuerung 54 samtliche, die Motorleistung somit auch den Einblasvorgang bestimmenden Parameter kennt, ist sie auch in der Lage, die wahrend eines Lastwechsels auftretenden Druckanderungen an den dem jeweiligen Zylinder zugeordneten Einblasventil 53 im Voraus zu berechnen (Zeitpunkt T) und durch eine zeitlich vorherige (Zeitpunkt T':= T - dT) Anpassung des Gasdrucks P2 am motorseitigen Ausgang des Druckminderers 52 zu kompensie- ren.As FIG. 2 shows schematically, the gas supply to each of the cylinders of the internal combustion engine 50 consists, for example, of a CNG storage tank 51 fed pressure regulator 52 according to Figure 1 and an electromagnetically actuated Einblasventil 53. Not shown are still required shut-off valves and temperature and pressure sensors. A motor control 54 controls, in addition to the various engine components, both the injection valve 53 and the pressure regulator 52 and its piezoelectric actuator. Since the engine control unit 54 knows all the parameters which determine the engine power and thus also the blowing process, it is also able to calculate in advance the pressure changes occurring during a load change on the injection valve 53 assigned to the respective cylinder (time T) and by a time-prior one (Time T ': = T - dT) Adjustment of the gas pressure P2 at the motor-side outlet of the pressure reducer 52 to compensate.
Die Gasversorgung des Verbrennungsmotors lasst sich durch Verzicht auf die individuelle Befüllung der einzelnen Zylin- der erheblich vereinfachen. Das Erdgas wird also nicht mehr in das Saugrohr des jeweiligen Zylinders, also separat einge¬ blasen, sondern bereits im Sammler des Einlasskrümmers der angesaugten Luft beigemischt. In einem solchen, in Figur 3 schematisch dargestellten System kommt nur noch eine einzige Dosiereinheit 60 zum Einsatz, wobei diese Dosiereinheit 60 aus dem oben beschriebenen Druckregler und einer vom Druckregler gespeisten, mittels Schritt- oder Servomotoren betätigten Düse besteht. Mit dieser die Funktionen des Druckrege- lers und die des Einblasventils in sich vereinigenden Einheit lässt sich, kontrolliert von der Motorsteuerung 54, ein regelbarer Massenstrom erzeugen und über eine Drossel 55 dem Motor zuführen. The gas supply to the internal combustion engine can be achieved by dispensing with the individual filling of the individual cylinders. considerably simplify. The natural gas is therefore no longer in the intake manifold of the respective cylinder, so separately ¬ blow, but already mixed in the collector of the intake manifold of the sucked air. In such a system, shown schematically in FIG. 3, only a single metering unit 60 is used, this metering unit 60 consisting of the above-described pressure regulator and a nozzle actuated by the pressure regulator, operated by stepping or servomotors. With this unit, which unites the functions of the pressure regulator and the injection valve, a controllable mass flow can be generated, controlled by the engine control unit 54, and fed to the engine via a throttle 55.

Claims

Patentansprüche claims
1. Druckregler für gasformige Medien mit einer Steuerein- heit (1) und einem von der Steuereinheit (1) kontrollierten Druckminderer (3) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine erste Gehausekammer (16) der Steuereinheit (1) mit einer Speichereinheit (19) und über eine im Querschnitt ver- anderbare erste Uberstromeinrichtung (14/21) mit einer zweiten Gehausekammer (17) der Steuereinheit (1) in Verbindung steht, wobei die Speichereinheit (19) ein unter Überdruck stehendes, gasformiges Medium enthalt,1. Pressure regulator for gaseous media with a control unit (1) and controlled by the control unit (1) pressure reducer (3), characterized in that a first housing chamber (16) of the control unit (1) with a memory unit (19) and a first overflow device (14/21) which can be varied in cross section is connected to a second housing chamber (17) of the control unit (1), the storage unit (19) containing a gaseous medium under overpressure,
- dass eine erste Gehausekammer (37) des Druckminderes (3) mit der Speichereinheit (19) sowie eine im Querschnitt verän¬ derbare zweite Uberstromeinrichtung (33/38) mit einer zweiten Gehausekammer (36) des Druckminderers (3) in Verbindung stehen,- that a first Gehausekammer (37) of the pressure reducer (3) with the storage unit (19) and a are changed in cross-section ¬ Variable-second overcurrent means (33/38) having a second Gehausekammer (36) of the pressure reducer (3) in combination,
- ein Gasauslass (40) der zweiten Gehausekammer (36) des Druckminderers (3) mittel oder unmittelbar in eine Gasleitung (41) mundet und- A gas outlet (40) of the second housing chamber (36) of the pressure reducer (3) medium or directly in a gas line (41) opens and
- eine dritte Gehausekammer (35) des Druckminderers (3) mit einem Gasauslass (20) der zweiten Gehausekammer (17) der Steuereinheit (1) stromungstechnisch verbunden ist und dass eine Drosseleinheit (2) gaseinlassseitig mit dem Gasauslass (20) der zweiten Gehausekammer (17) der Steuereinheit (1) und gasauslassseitig mit der Gasleitung (41) in Verbindung steht.a third housing chamber (35) of the pressure reducer (3) with a gas outlet (20) of the second housing chamber (17) of the control unit (1) is stromungstechnisch connected and that a throttle unit (2) gas inlet side with the gas outlet (20) of the second housing chamber ( 17) of the control unit (1) and gas outlet side with the gas line (41) is in communication.
2. Druckregler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Gehausekammern (16/17) der Steuereinheit (1) eine gemeinsame, mit einer ersten Gasdurchtrittsoffnung (14) versehende erste Trennwand (15) aufweisen und dass ein in einer Ruhelage die erste Gasdurchtrittsöffnung (14) abdichtendes erstes Schließelement (21/22) relativ zur ersten Gasdurchtrittsöffnung (14) verschiebbar geführt ist.2. Pressure regulator according to claim 1, characterized in that the Gehausekammern (16/17) of the control unit (1) have a common, with a first Gasdurchtrittsoffnung (14) providing first partition (15) and that in one Resting the first gas passage opening (14) sealing first closing element (21/22) relative to the first gas passage opening (14) is displaceably guided.
3. Druckregler nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das erste Schließelement (21/22) an einer axial verschiebbar geführten Außenwand (13) der zweiten Gehäusekammer (17) der Steuereinheit (1) befestigt ist.3. Pressure regulator according to claim 2, characterized in that the first closing element (21/22) is fastened to an axially displaceably guided outer wall (13) of the second housing chamber (17) of the control unit (1).
4. Druckregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t, durch einen das erste Schließelement (21/22) oder die Außenwand (13) der zweiten Gehäusekammer (17) in axialer Richtung verschiebenden elektromechanischen Wandler (11).4. Pressure regulator according to one of claims 1 to 3, e e e c e e s e, by a the first closing element (21/22) or the outer wall (13) of the second housing chamber (17) in the axial direction of sliding electromechanical transducer (11).
5. Druckregler nach Anspruch 4, g e k e n n z e i c h n e t, durch einen piezoelektrischen, magnetrestriktiven oder elektrostriktiven Wandler (11).5. Pressure regulator according to claim 4, e e c e n e e c h e s e, by a piezoelectric, magnetostrictive or electrostrictive transducer (11).
6. Druckregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die erste und die zweite Gehäusekammer (36,37) des Druckminderers (3) eine gemeinsame, mit einer zweiten Gasdurchtrittsöffnung (33) versehene zweite Trennwand (34) aufweisen und dass ein in einer Ruhelage die zweite Gasdurchtrittsöffnung (33) abdichtendes zweites Schließelement (38/39) relativ zur zweiten Gasdurchtrittsöffnung (33) ver- schiebbar geführt ist.6. Pressure regulator according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second housing chamber (36,37) of the pressure reducer (3) have a common, with a second gas passage opening (33) provided second partition wall (34) and that in one Resting the second gas passage opening (33) sealing second closure element (38/39) relative to the second gas passage opening (33) is displaceably guided.
7. Druckregler nach Anspruch 6 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das zweite Schließelement (38/39) an einer axial ver- schiebbar geführten, der zweiten und der dritten Gehäusekammer (35/36) des Druckminderers (3) gemeinsamen Trennwand (34) befestigt ist. 7. Pressure regulator according to claim 6, characterized in that the second closing element (38/39) on a axially displaceably guided, the second and the third housing chamber (35/36) of the pressure reducer (3) common partition (34) is fixed.
8. Druckregler nach einem der vorgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Gehäusekämmern (16, 17 und 35 bis 37) der Steuerein¬ heit (1) und/oder des Druckminderers (3) jeweils zylindrisch ausgebildet sind und dass die Außenwand der zweiten Gehäusekammer (17) der Steuereinheit (1) und/oder die gemeinsame Trennwand der zweiten und der dritten Gehäusekammer (35,36) des Druckminderers (3) die Form eines Kolbens (13/32) aufwei¬ sen8. Pressure regulator according to one of the preceding claims, characterized in that the Gehäusekämmern (16, 17 and 35 to 37) of the Steuerein ¬ unit (1) and / or the pressure reducer (3) are each cylindrical and that the outer wall of the second housing chamber ( 17) of the control unit (1) and / or the common partition of the second and the third housing chamber (35,36) of the pressure reducer (3) the shape of a piston (13/32) aufwei ¬ sen
9. Druckregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die erste und/oder die zweite Gasdurchtrittsöffnung (14/33) als Dichtsitz ausgebildet sind und dass das erste und/oder das zweite Schließelement (21/22,38/39) ein teller-, konus- oder kegelstumpfförmiges Ventil aufweisen. 9. Pressure regulator according to one of the preceding claims, characterized in that the first and / or the second gas passage opening (14/33) are formed as a sealing seat and that the first and / or the second closing element (21 / 22,38 / 39) a plate -, conical or frusto-conical valve have.
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