WO2007122092A2 - Druckregler für gasförmige medien - Google Patents

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Abstract

Der vorgeschlagene Druckregler kann insbesondere in einem CNG-betriebenen Kraftfahrzeug als elektronisch steuerbarer Druckminderer zur Konstanthaltung des Gasdrucks an dem der Befüllung des jeweiligen Zylinders dienenden Einblasventil zum Einsatz kommen. Der Druckregler besteht aus einer Steuereinheit (1), einem von der Steuereinheit (1) kontrollierten Druckminderer (3) und einer die Gasauslässe (20, 40) der Arbeitskammer (17) der Steuereinheit (1) und des Druckminderers (3) verbindenden Drossel (2). Mit Hilfe eines auf das Ventil (21, 22) einer Überströmeinrichtung (14) wirkenden piezoelektrischen Aktuators (11) lässt sich der Gasdruck (P2) in der Arbeitskammer (17) der Steuereinheit (1) gezielt ändern, gleichzeitig die Stellung des Ventils (38, 39) der Überströmeinrichtung (33) des Druckminderers (3) beeinflussen und damit dessen Ausgangsdruck (Pout) auf einen vorgegebenen Sollwert einstellen.

Description

Druckregler für gasförmige Medien
1. Einleitung und Stand der Technik
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.
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 Erfindung
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.
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.
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.
3. Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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 .
4. Beschreibung der Ausgangsbeispiele:
4.1 Der Aufbau des Druckreglers
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.
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 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.
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 .
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.
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.
4.2. Die Funktionsweise des Druckreglers
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 die
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.
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.
4.3. Die Gasversorgung des Verbrennungsmotors
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.
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.

Claims

Patentansprüche
1. Druckregler für gasformige Medien mit einer Steuereinheit (1) und einem von der Steuereinheit (1) kontrollierten Druckminderer (3) , dadurchgekennzeichnet, dass eine erste Gehausekammer (16) der Steuereinheit (1) mit einer Speichereinheit (19) und über eine im Querschnitt veranderbare 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,
- dass eine erste Gehausekammer (37) des Druckminderes (3) mit der Speichereinheit (19) sowie eine im Querschnitt veränderbare zweite Uberstromeinrichtung (33/38) mit einer zweiten Gehausekammer (36) des Druckminderers (3) in Verbindung stehen,
- ein Gasauslass (40) der zweiten Gehausekammer (36) des Druckminderers (3) mittel oder unmittelbar in eine Gasleitung (41) mundet und
- 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.
2. Druckregler nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, 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.
3. Druckregler nach Anspruch 2, dadurchgekennzeichnet, dass das erste Schliesselement (21/22) an einer axial verschiebbar geführten Aussenwand (13) der zweiten Gehäusekammer (17) der Steuereinheit (1) befestigt ist.
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).
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).
6. Druckregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, 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) verschiebbar geführt ist.
7. Druckregler nach Anspruch 6 , dadurchgekennzeichnet, dass das zweite Schliesselement (38/39) an einer axial verschiebbar geführten, der zweiten und der dritten Gehäusekammer (35/36) des Druckminderers (3) gemeinsamen Trennwand (34) befestigt ist.
8. Druckregler nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Gehäusekämmern (16, 17 und 35 bis 37) der Steuereinheit (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) aufweisen
9. Druckregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, 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-, konusoder kegelstumpfförmiges Ventil aufweisen.
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