-
Die Erfindung betrifft eine Druckregeleinrichtung für ein Kraftstoffvolumen, insbesondere in einer Kraftstoffversorgungsleitung eines mit einem verdichteten Gas betriebenen Fahrzeugs. Sie betrifft weiter ein Verfahren zur Regelung eines Kraftstoffdruckes in einem solchen Fahrzeug.
-
Unter einem verdichteten Gas wird hier und im Folgenden ein gasförmiger Kraftstoff verstanden, der im Fahrzeug in einem Druckbehälter vorgehalten wird. Beispielsweise werden darunter Erdgas oder Wasserstoff verstanden.
-
Aus der
DE 10 2007 036 958 A1 ist eine Kraftstoffzufuhreinrichtung für ein mit Erdgas betriebenes Fahrzeug bekannt. Bei dieser Einrichtung ist eine Druckminderungseinrichtung vorgesehen, um den Tankdruck von beispielsweise 200 bar auf den niedrigeren Systemdruck der Kraftstoffeinblasvorrichtung zu reduzieren.
-
Die Druckschrift
DE 10 2006 019 404 A1 beschreibt einen Druckregler für gasförmige Medien. Der Gasdruck lässt sich über einen Aktuator, der auf ein Ventil einer Überströmeinrichtung wirkt, gezielt ändern und der Ausgangsdruck kann auf einen Sollwert eingestellt werden.
-
Die Druckschrift
DE 10 2014 218 818 A1 beschreibt eine Druckminderungseinrichtung für ein mit verdichtetem Gas betriebenes Fahrzeug und weist ein Gehäuse auf, das mit einet Außenseite mit einem Erwärmungsbereich ausgestattet ist. Der Erwärmungsbereich verfügt über eine vergrößerte Oberfläche mit Wärmeaustauschstrukturen.
-
Bei derartigen Kraftstoffzufuhreinrichtungen werden heutzutage häufig Piezoventile als Vorsteuerventile der Druckregeleinrichtung eingesetzt. Mittels des Piezoventils wird ein aus dem Kraftstoffvolumen abgezweigtes Teilvolumen als Steuervolumen geregelt. Anstelle des Piezoventils kann auch beispielsweise ein Magnetventil eingesetzt werden.
-
Um das als Steuervolumen genutzte Teilvolumen wieder dem Kraftstoffvolumen zuzuführen, wird das Teilvolumen über eine Abflussdrossel geleitet. Diese Drossel ist als Leitungsbereich mit schmalem Querschnitt ausgebildet.
-
Problematisch kann bei einer derartigen Kraftstoffzufuhreinrichtung sein, dass die Regelung des Vorsteuerventils nicht linear ist. Bei hohen Kraftstoffeingangsdrücken werden nur sehr geringe Hübe des Druckregelventils benötigt. Diese Hübe können so klein sein, dass bedingt durch die Regelung des Vorsteuerventils dieses anfängt zu pulsen und dadurch der Ausgangsdruck nicht ausreichend genau einstellbar ist.
-
Bei geringen Eingangsdrücken werden größere Hübe des Druckregelventils benötigt, um das gewünschte Gasvolumen oder den Ausgangsdruck bereitzustellen. Dabei kann es vorkommen, dass selbst der größtmögliche Hub des Vorsteuerventils nicht ausreicht, um das gewünschte Druckverhältnis einzustellen. Der Tank kann demnach nicht ausreichend leergefahren werden.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druckregeleinrichtung für ein Kraftstoffvolumen anzugeben, mit der möglichst in allen Betriebszuständen eine präzise Regelung des Kraftstoffdrucks auf den Versorgungsdruck der Kraftstoffzufuhreinrichtung möglich ist. Ferner soll ein Verfahren für eine solche präzise Regelung angegeben werden.
-
Die Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Druckregeleinrichtung für ein Kraftstoffvolumen angegeben, die ein Ventilelement mit einem Schließelement aufweist, über das der Druck des Kraftstoffvolumens ausgangsseitig der Druckregeleinrichtung steuerbar ist. Die Druckregeleinrichtung weist ferner eine Steuerleitung für das Ventilelement auf, in der ein aus dem Kraftstoffvolumen abgezweigtes Steuervolumen geführt ist. Ferner weist die Druckregeleinrichtung ein Vorsteuerelement für das Ventilelement auf, wobei mittels des Vorsteuerelements der Druck des Steuervolumens steuerbar ist. Dabei ist die Steuerleitung derart ausgebildet, dass das Steuervolumen stromaufwärts von dem Ventilelement aus dem Kraftstoffvolumen abgezweigt ist und stromabwärts von dem Ventilelement über ein Drosselelement geleitet und stromabwärts von dem Drosselelement wieder mit dem Kraftstoffvolumen zusammengeführt wird. Das Drosselelement ist in seiner Drosselwirkung variabel ausgebildet.
-
Die Druckregeleinrichtung hat den Vorteil, dass die Drosselwirkung variabel an den Betriebszustand des Fahrzeugs bzw. der Druckregeleinrichtung angepasst werden kann. Dies führt zu einer besseren Regelbarkeit des Vorsteuerelements. Insbesondere können besonders hohe und besonders geringe Tankdrücke besser gehandhabt werden, was bei gleichem Tankvolumen zu einem größeren Arbeitsbereich der Druckregeleinrichtung führt.
-
Durch die variable Drossel kann ein größerer Teil der Kraftstoffmenge durch den Regelpfad hinzugefügt werden. Dadurch kann z. B. bei der Wahl einer schwächeren Feder des Drosselelements ein größeres Volumen bereitgestellt werden und im Falle einer stärkeren Feder ein kleineres Volumen. Dadurch ergibt sich ein variables Konzept bei der Ausgestaltung der Druckregeleinrichtung, so dass diese im Prinzip für verschiedene Einsatzbereiche, insbesondere PKW- bzw. LKW-Anwendungen einfach modifiziert werden kann.
-
Unter einer variablen Drosselwirkung wird dabei hier und im Folgenden verstanden, dass die Drosselwirkung des Drosselelements veränderbar ist. Auch Drosselelemente, die lediglich ein Öffnen und Schließen der Leitung bewirken, können eine variable Drosselwirkung haben, wenn sie beispielsweise intervallartig betätigbar sind. Insbesondere kann jedoch der Querschnitt des Drosselelements, durch den das Steuervolumen geführt wird, variabel ausgebildet sein.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Vorsteuerelement als Piezoaktor ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform wird der inverse piezoelektrische Effekt ausgenutzt, bei dem beispielsweise bei bestimmten Keramikarten eine Verformung durch das Anlegen eines elektrischen Feldes erzeugt wird. Als mögliche Bauformen sind insbesondere Stapeltranslatoren und Biegewandler üblich. Durch die Verformung des Piezoaktors wird das Schließelement eines Ventils verschoben.
-
In einer alternativen Ausführungsform weist das Vorsteuerelement ein Magnetventil auf.
-
Es sind jedoch auch andere regelbare Ventile als Vorsteuerelement denkbar.
-
Das Drosselelement kann als Ventil mit einem federbelasteten Schließkörper ausgebildet sein. Bei dieser mechanischen Ausführungsform des Drosselelementes arbeitet der Steuerdruck gegen eine Federkraft. Der Schließkörper kann beispielsweise als Kugel, Kegel oder als Rohr ausgebildet sein, das auf einen Sitz gepresst wird. Als Feder können beispielsweise Spiral- oder Blattfedern eingesetzt werden. Es ist auch denkbar, das Drosselelement als Schieberegler oder Membran auszubilden.
-
Diese mechanischen Ausführungsformen des Drosselelements haben den Vorteil, dass sie kostengünstig und robust sind.
-
In einer alternativen Ausführungsform weist das Drosselelement ein Piezoventil auf. Alternativ kann es auch ein Magnetventil aufweisen.
-
Derartige Drosselelemente haben den Vorteil, dass sie technisch zwar aufwendiger sind, dafür aber regelbar ausgebildet sind. Es ist somit eine noch differenziertere Beeinflussung der Drosselwirkung möglich.
-
In einer Ausführungsform weist das Drosselelement einen Teildurchgangsbereich mit festem Querschnitt auf. Insbesondere kann dieser Teildurchgangsbereich, der nicht variabel ist, derart ausgebildet sein, dass er stets offen ist. Das hat den Vorteil, dass unabhängig von der Funktion des Drosselelements zumindest der Teildurchgangsbereich stets offen ist, um auch sehr geringe Steuervolumina durchzulassen.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für ein mit verdichtetem Gas betriebenes Fahrzeug angegeben, die die beschriebene Druckregeleinrichtung zur Reduzierung eines Kraftstoffdruckes von einem Tankdruck auf einen Versorgungsdruck einer Kraftstoffeinblasvorrichtung aufweist.
-
Ferner wird ein mit verdichtetem Gas betriebenes Fahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung angegeben. Das Fahrzeug hat den Vorteil, dass es auch in für die Druckregelung grundsätzlich problematischen Betriebszuständen wie im Falle eines verhältnismäßig vollen oder leeren Kraftstofftanks oder während einer Schubabschaltung effizient betrieben werden kann.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung eines Kraftstoffdruckes von einem Tankdruck auf einen Versorgungsdruck in einem mit verdichtetem Gas betriebenen Fahrzeug angegeben, wobei ein als Steuervolumen für ein Vorsteuerelement aus dem Kraftstoffstrom abgezweigter Teilstrom vor der Zusammenführung mit dem druckreduzierten Kraftstoffstrom in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter gedrosselt wird.
-
Die Drosselung wird somit variabel in Abhängigkeit von dem herangezogenen Parameter durchgeführt. Das Verfahren weist somit die weiter oben im Zusammenhang mit der Druckregeleinrichtung beschriebenen Vorteile auf.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird der Parameter dabei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Druck im Teilstrom, einem Sollwert für den Regeldruck und einem angeforderten Kraftstoffvolumen.
-
Unter dem Regeldruck wird damit derjenige Druck im Teilstrom verstanden, der für den Vorsteuervorgang relevant ist.
-
Es ist denkbar, auch prädiktive Daten als Parameter zu verwenden. Falls beispielsweise die Anforderung eines hohen Kraftstoffvolumens in naher Zukunft absehbar ist, kann dies bei der Drosselung berücksichtigt werden.
-
Das Verfahren ermöglicht es insbesondere, die Druckregelung in folgenden potentiell problematischen Betriebszuständen effizient durchzuführen:
Wird ein schneller Aufbau des Regeldrucks gewünscht, kann die Drosselwirkung sehr hoch gewählt oder das Drosselelement verschlossen werden. Ist der benötigte Regeldruck erreicht, kann die Drossel langsam geöffnet werden. Dadurch steht der erforderliche Regeldruck sehr schnell zur Verfügung.
-
In einer Schubabschaltung öffnet das Drosselelement maximal und das Vorsteuerelement schließt. So wird das Regelvolumen schnellstmöglich abgebaut und Druckspitzen werden vermieden.
-
Im Fall eines großen angeforderten Kraftstoffvolumens kann das Drosselelement zusätzlich mehr öffnen, da dadurch auch ein nennenswertes Kraftstoffvolumen über den Regelpfad fließen kann. Zusätzlich würde dadurch bei einer unerwarteten Schubabschaltung das Ansprechverhalten der Regelung deutlich verbessert. Diese Regelmöglichkeit kann auf Volumenstufen angepasst ein oder einer stetigen Anpassung unterliegen.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt aufweisend ein computerlesbares Medium und auf dem computerlesbaren Medium gespeicherten Programmcode, der, wenn er auf einer Recheneinheit ausgeführt wird, die Recheneinheit anleitet, das beschriebene Verfahren auszuführen.
-
Die Recheneinheit kann dabei insbesondere als Motorsteuergerät ausgebildet sein.
-
Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
-
1 zeigt schematisch ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
-
2 zeigt eine Prinzipskizze der Druckregeleinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
-
3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Druckregeleinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
1 zeigt ein lediglich gestrichelt angedeutetes Fahrzeug 1, das insbesondere als Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Bus ausgebildet ist. Das Fahrzeug 1 wird mit verdichtetem Erdgas (englisch: ”compressed natural gas”, CNG) als Kraftstoff betrieben. Alternativ könnte als Kraftstoff auch beispielsweise Wasserstoff verwendet werden.
-
Das Fahrzeug 1 weist einen Verbrennungsmotor 2 mit einer Anzahl von Zylindern 3 auf, in denen Erdgas verbrannt wird. In der gezeigten Ausführungsform weist der Verbrennungsmotor 2 vier Zylinder 3 auf, von denen jedoch nur einer dargestellt ist.
-
Der Kraftstoff gelangt über eine Kraftstoffeinblasvorrichtung 4 in die nicht näher gezeigte Brennkammer des Zylinders 3. Der Kraftstoffeinblasvorrichtung 4 vorgeschaltet ist eine Kraftstoffverteilerleiste 5, die aus der Zuleitung 10 zugeführten Kraftstoff in die einzelnen Kraftstoffeinblasvorrichtungen 4 und die ihnen zugeordneten Zylinder 3 verteilt.
-
Die Kraftstoffeinblasvorrichtung 4 arbeitet typischerweise mit einem Kraftstoffdruck von etwa 5 bis 20 bar. Dieser Druck P2 herrscht auch in der Zuleitung 10. Demgegenüber wird das verdichtete Erdgas in als Druckbehälter ausgebildeten Tanks 6 unter einem Druck P1 von etwa 200 bar vorgehalten. Dieser Druck P1 herrscht auch in der Zuleitung 7, die von den Tanks 6 über einen Filter 8 zur Druckregeleinrichtung 9 führt. Die Druckregeleinrichtung 9 reduziert den Druck P1 auf den Druck P2.
-
Die Druckregeleinrichtung 9 wird über eine Signalleitung 25 von einer Recheneinheit 30, die insbesondere als Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors 2 ausgebildet sein kann, angesteuert. Die Recheneinheit 30 weist eine Verarbeitungseinheit 31 und ein computerlesbares Medium 32 auf. Die Verarbeitungseinheit 31 kann beispielsweise als elektronischer Prozessor ausgebildet sein, insbesondere als Mikroprozessor oder Mikrocontroller. Das computerlesbare Medium 32 kann beispielsweise als EEPROM, Flash-Speicher bzw. Flash-EEPROM oder NV-RAM ausgebildet sein. Auf dem computerlesbaren Medium 32 ist ein Programmcode abgespeichert, der, wenn er auf der Recheneinheit 30 ausgeführt wird, die Recheneinheit 30 anleitet, die oben genannten Ausführungsformen des Verfahrens auszuführen.
-
Über die Recheneinheit 30 ist ein in der 1 nicht gezeigtes Vorsteuerelement der Druckregeleinrichtung 9 sowie ein Drosselelement für das Steuervolumen ansteuerbar.
-
2 zeigt in einer Prinzipskizze den Aufbau der Druckregeleinrichtung 9. Die Druckregeleinrichtung 9 weist einen Eingang 12 auf, in den die Zuleitung 7 mündet und an dem der Druck P1 anliegt. Sie weist ferner einen Ausgang 13 auf, der in die Zuleitung 10 mündet und an dem der Druck P2 anliegt.
-
Zur Regelung des Kraftstoffdruckes von P1 auf P2 weist die Druckregeleinrichtung 9 ein Ventilelement 14 mit einem Schließelement 15 auf. Über das Ventilelement 14 fließt der Hauptteil des Kraftstoffvolumens.
-
Aus dem Kraftstoffvolumen ist jedoch auch ein kleiner Teil als Steuervolumen abgezweigt. Dieser Teil wird durch die Steuerleitung 16 geleitet zu einem Vorsteuerelement 17, das in der gezeigten Ausführungsform als Piezoelement ausgebildet ist.
-
Das Vorsteuerelement 17 regelt den Druck in der Steuerleitung 16. Es stellt den Steuerdruck Ps in der Steuerleitung 16 zur Verfügung, der erforderlich ist, um das Ventilelement 14 entsprechend dem einzustellenden Ausgangsdruck P2 zu regeln.
-
Das Steuervolumen mit dem Steuerdruck PS trifft in der gezeigten Ausführungsform auf eine Prallplatte 18, die an einem Kolben 19 anliegt und Kraft auf diesen überträgt. Durch den Steuerdruck Ps wird demnach der Kolben 19 in Richtung des Pfeils 20 verschoben. Dabei bewirkt eine Verschiebung nach rechts ein weiteres Schließen des Ventilelements 14, eine Verschiebung nach links ein weiteres Öffnen.
-
Das Steuervolumen fließt anschließend über ein Drosselelement 21 ab und vereinigt sich mit dem Hauptvolumen des Kraftstoffvolumens in der Zuleitung 10. Das Drosselelement ist variabel ausgebildet. Dies ist in der Prinzipskizze gemäß 2 durch ein federbelastetes Schließkörper 22 angedeutet. Daneben weist das Drosselelement 21 jedoch auch einen nicht variablen Teildurchgangsbereich 23 mit engem Querschnitt auf. Das Schließkörper 22 wird durch den Steuerdruck Ps gegen eine Federkraft zum Öffnen des Drosselquerschnitts nach rechts gedrückt. In dieser Ausführungsform ist somit die Drosselwirkung der variablen Drossel 21 abhängig von dem Steuerdruck Ps.
-
3 zeigt die Druckregeleinrichtung 9 im Querschnitt. Das Gehäuse 11 weist einen Einlass 12 auf, an dem Kraftstoff mit dem Druck P1 eintritt. Es weist ferner einen Auslass 13 auf, an dem Kraftstoff mit dem Druck P2 austritt. Vor dem Einlass 12 ist typischerweise ein nicht dargestelltes Absperrventil vorgesehen. Insbesondere kann ein Absperrventil unmittelbar am Tank 6 angeordnet sein, mit dem sich die Kraftstoffzufuhr beispielsweise bei einem Abstellen der Brennkraftmaschine 2 oder bei der Umschaltung auf eine andere Kraftstoffart abstellen lässt.
-
Die in 3 gezeigte Druckminderungseinrichtung 9 weist in der Steuerleitung 16 als Stellglied einen von der in 3 nicht dargestellten Motorsteuerung geregelten piezoelektrischen Aktor 17 auf. Der Aktor 17 ist einem Ventil 24 zugeordnet, über das der Durchfluss des Steuervolumens durch eine Öffnung 26 regelbar ist. Ausgangsseitig des Ventils 24 ist eine erste Kammer 27 angeordnet, in der der Kolben 19 beweglich gelagert ist. In der ersten Kammer 27 liegt der Steuerdruck Ps an. Eine Prallplatte ist bei dieser Darstellung nicht gezeigt. Der Kolben 19 ist in einem Zylinder 28 angeordnet und gegen die Kraft einer Feder 29 beweglich.
-
Eine Drosselelement 21 verbindet die erste Kammer 27 mit dem Auslass 13 der Druckregeleinrichtung 9. Das Drosselelement 21 ist, wie anhand von 2 beschrieben, in seiner Drosselwirkung variabel ausgebildet.
-
Für eine Regelung des piezoelektrischen Aktors 17 werden typischerweise die Drücke P1 und P2 mittels Drucksensoren gemessen.
-
Im Betrieb verschiebt der piezoelektrische Aktor 18 das Verschlussstück des Ventils 24 gegen den Ventilsitz und steuert somit den Durchfluss des Steuervolumens durch die Öffnung 26. Eine Änderung dieses Durchflusses bedingt eine Änderung des in der ersten Kammer 27 herrschenden Druckes Ps und somit eine Änderung der Kraft auf den Kolben 19. Der Kolben 19 wird dadurch innerhalb des Zylinders 21 verschoben.
-
Das Ventilelement 15 wird durch den auf den Kolben 19 wirkenden Steuerdruck Ps in der ersten Kammer 27 geöffnet bzw. geschlossen. Dadurch strömt das Kraftstoffvolumen durch die Öffnung 31 in die zweite Kammer 30. In der zweiten Kammer 30 liegt der Druck P2 an.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fahrzeug
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Zylinder
- 4
- Kraftstoffeinblasvorrichtung
- 5
- Kraftstoffverteilerleiste
- 6
- Tank
- 7
- Versorgungsleitung
- 8
- Filter
- 9
- Druckregler
- 10
- Zuleitung
- 11
- Gehäuse
- 12
- Einlass
- 13
- Auslass
- 14
- Ventilelement
- 15
- Schließelement
- 16
- Steuerleitung
- 17
- Piezoaktor
- 18
- Prallplatte
- 19
- Kolben
- 20
- Pfeil
- 21
- Drosselelement
- 22
- Schließelement
- 23
- Teildurchgangsbereich
- 24
- Ventil
- 25
- Signalleitung
- 30
- Recheneinheit
- 31
- Verarbeitungseinheit
- 32
- computerlesbares Medium
