DE102018200247A1 - Ventilanordnung zur Gasdruckregelung, Kraftstoffsystem mit Ventilanordnung zur Gasdruckregelung - Google Patents

Ventilanordnung zur Gasdruckregelung, Kraftstoffsystem mit Ventilanordnung zur Gasdruckregelung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung (1) zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail (2) eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, umfassend
- ein erstes Ventil (3) zur Verbindung des Gas-Rails (2) mit einem Gas-Hochdruckspeicher (4),
- ein zweites Ventil (5) zur Verbindung des Gas-Rails (2) mit einem Gas-Rücklauf (6) und
- einen koaxial zum ersten und zum zweiten Ventil (3, 5) angeordneten Steuerkolben (7), der in axialer Richtung einen mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbaren Steuerraum (8) begrenzt.
Erfindungsgemäß begrenzt der Steuerkolben (7) in radialer Richtung einen Druckmittel-Leckageraum (9), der durch ein Dichtelement (10) vom Gas-Rücklauf (6) getrennt und über ein Druckmittel-Absteuerventil (11) mit einem Druckmittel-Rücklauf (12) verbindbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftstoffsystem mit einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung (1) zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail (2).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, umfassend eine solche Ventilanordnung.
  • Stand der Technik
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2016 207 743 A1 ist ein Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Brennstoff mit einer Einrichtung zur Zumessung des gasförmigen Brennstoffs zu einem Injektor bekannt. Die Einrichtung umfasst eine Druckregeleinheit mit einem Absperrventil, einem Druckregelventil und einem Absteuerventil, die eine Baueinheit bilden. Bei geöffnetem Absperrventil wird gasförmiger Brennstoff zugemessen, wobei der gasförmige Brennstoff zunächst in einen Hochdruckspeicher bzw. in ein Gas-Rail gelangt, an dem mindestens ein Injektor angeschlossen ist. Durch Öffnen des Absteuerventils kann gasförmiger Brennstoff aus dem Gas-Rail abgeführt werden, so dass der Gasdruck im Gas-Rail gesenkt wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Gasdruck im Gas-Rail nicht über einen vorgegebenen Grenzwert steigt. Die Steuerung des Absperrventils und des Absteuerventils erfolgt hydraulisch über den Steuerdruck in einem Steuerraum, der mit einem hydraulischen Druckmittel, und zwar mit Dieselkraftstoff beaufschlagbar ist. Zur Veränderung des Steuerdrucks im Steuerraum ist ferner ein Dieseldrucksteuerventil vorgesehen, das an einen separaten Dieselkreislauf angeschlossen ist.
  • Die hydraulische Steuerung einer solchen Druckregeleinheit erfordert den Einsatz mindestens eines Dichtelements zur Medientrennung. Denn einerseits kann im Wege der Leckage gasförmiger Brennstoff in den Bereich des Dieselkraftstoffs, andererseits Dieselkraftstoff im Weg der Leckage in den Bereich des gasförmigen Kraftstoffs gelangen. Als Dichtelement eignen sich beispielsweise eine Membrandichtung. Darüber hinaus kann auch eine Well- oder Faltenbalgdichtung zur Medientrennung eingesetzt werden.
  • Derartige Dichtelemente weisen jedoch häufig den Nachteil auf, dass ihre mechanische Belastbarkeit begrenzt ist. Bei einer Well- oder Faltenbalgdichtung besteht zudem eine Knickgefahr, wenn die Druckdifferenz an der Dichtung einen bestimmten Grenzwert übersteigt. Vorzugsweise sollte ein Differenzdruck von etwa 30 bar nicht überschritten werden. Zur Verringerung der Knickgefahr sollte ferner der außen am Well- oder Faltenbalg anliegende Druck immer größer als der innen anliegende Druck sein.
  • Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail eines Kraftstoffsystems derart weiterzuentwickeln, dass eine sichere Medientrennung über die Lebensdauer der Ventilanordnung erreicht wird.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird die Ventilanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Kraftstoffsystem mit einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung angegeben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorgeschlagene Ventilanordnung dient der Gasdruckregelung in einem Gas-Rail eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, wobei es sich insbesondere um Erdgas handeln kann. Die Ventilanordnung umfasst ein erstes Ventil zur Verbindung des Gas-Rails mit einem Gas-Hochdruckspeicher, ein zweites Ventil zur Verbindung des Gas-Rails mit einem Gas-Rücklauf und einen koaxial zum ersten und zum zweiten Ventil angeordneten Steuerkolben, der in axialer Richtung einen mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbaren Steuerraum begrenzt. Erfindungsgemäß begrenzt der Steuerkolben in radialer Richtung einen Druckmittel-Leckageraum, der durch ein Dichtelement vom Gas-Rücklauf getrennt und über ein Druckmittel-Absteuerventil mit einem Druckmittel-Rücklauf verbindbar ist.
  • Bei der vorgeschlagenen Ventilanordnung wird demnach die Druckmittel-Leckagemenge im Druckmittel-Leckageraum aufgefangen und gezielt über das Druckmittel-Absteuerventil aus dem Druckmittel-Leckageraum abgeführt. Auf diese Weise ist einerseits sichergestellt, dass der Druck im Druckmittel-Leckageraum nicht über einen vorgegebenen Grenzwert steigt. Andererseits kann der Druck im Druckmittel-Leckageraum derart eingestellt werden, dass außen am Dichtelement ein höherer Druck als innen anliegt. Über die Druckregelung im Druckmittel-Leckageraum kann somit die Belastung des Dichtelements gesenkt werden, wodurch die Funktionssicherheit steigt.
  • Bevorzugt sind der Steuerraum und der Druckmittel-Leckageraum jeweils über eine Zulaufdrossel mit einem Druckmittel-Zulauf verbunden. Das heißt, dass beide Räume dauerhaft mit dem Druckmittel-Zulauf verbunden sind, wobei die jeweilige Zulaufdrossel dafür sorgt, dass der Zulauf gedrosselt wird. Dadurch ist beispielsweise sichergestellt, dass bei geöffnetem Absteuerventil zur Druckabsenkung im Druckmittel-Leckageraum eine größere Menge abströmt als zuströmt. Bleibt das Absteuerventil geschlossen, strömt über die Zulaufdrossel kontinuierlich Druckmittel in den Druckmittel-Leckageraum, so dass bei Bedarf der Druck im Druckmittel-Leckageraum angehoben werden kann.
  • Um in entsprechender Weise eine Druckabsenkung im Steuerraum zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass auch der Steuerraum über ein weiteres Druckmittel-Absteuerventil mit dem Druckmittel-Rücklauf verbindbar ist.
  • Vorzugsweise sind die Absteuerventile, die der Entlastung des Druckmittel-Leckageraums und des Steuerraums dienen, jeweils elektrisch, insbesondere elektromagnetisch ansteuerbar, um den Druck im Druckmittel-Leckageraum bzw. im Steuerraum gezielt zu steuern. Die Absteuerventile können hierzu an eine Steuereinheit angebunden sein.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass im Druckmittel-Leckageraum und/oder im Gas-Rücklauf ein Drucksensor angeordnet ist. Über den mindestens einen Drucksensor kann der außen und/oder innen am Dichtelement anliegende Druck überwacht werden. Sofern in beiden Räumen ein Drucksensor vorgesehen ist, kann die Druckdifferenz ermittelt und bei Übersteigen eines vorgegebenen Grenzwerts über das im dem Druckmittel-Leckageraum zugeordnete Absteuerventil neu eingestellt werden. Am Dichtelement liegen daher im Wesentlichen lediglich die durch die Ventilsteuerzeiten entstehenden Druckdifferenzen an. Diese Druckdifferenzen sind kleiner als der erträgliche Ausgangswert von etwa 30 bar. Hieraus ergeben sich positive Effekte hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten, Funktionalität, Dauerhaltbarkeit, Bauraum und Kosten für die Ventilanordnung zur Gasdruckregelung.
  • Aufgrund der Regelbarkeit des Drucks im Druckmittel-Leckageraum kann auch der Gasdruck im Gas-Rücklauf beliebig hoch gewählt werden, wodurch sich ganz neue Möglichkeiten hinsichtlich der konkreten Ausgestaltung des Kraftstoffsystems ergeben, in das die Ventilanordnung integriert ist. Beispielsweise kann auf einen separaten Gas-Leckage-Anschluss verzichtet werden.
  • Der mindestens eine Drucksensor ist vorzugsweise an eine Steuereinheit angebunden, welche die Messwerte auswertet und bei Bedarf das Absteuerventil ansteuert. In der Steuereinheit können die mittels mehrerer Drucksensoren erfassten Messwerte verglichen werden. Ferner kann ein bestimmter Außendruck als harte Forderung eingestellt werden, so dass bei abweichenden Messwerten sofort durch eine Änderung des Innendrucks reagiert wird. Es kann auch eine zulässige Über- oder Unterschreitung einer vorgegebenen Druckdifferenz von beispielsweise 10 bar in der Steuereinheit hinterlegt sein. Dadurch werden Ventilhübe lediglich aufgrund kleiner Gasdruckschwankungen verhindert, so dass das Absteuerventil weniger beansprucht wird.
  • Bevorzugt wird die vorgeschlagene Ventilanordnung in der Weise eingesetzt, dass ein ständiger elektrischer Abgleich der außen und innen am Dichtelement anliegenden Drücke stattfindet. Auf diese Weise wird eine zuverlässige Medientrennung über die Lebensdauer erreicht.
  • Das Dichtelement ist vorzugsweise ein metallischer Well- oder Faltenbalg, der einerseits am Steuerkolben, andererseits gehäuseseitig befestigt ist. Das Dichtelement schränkt demnach die Beweglichkeit des Steuerkolbens nicht wesentlich ein.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das erste Ventil einen in axialer Richtung hin- und herbeweglichen Ventilstößel auf, der durch die Federkraft einer Feder gegen einen Ventilsitz axial vorgespannt ist. Das erste Ventil kann beispielsweise analog eines bei Kraftstoffhochdruckpumpen oftmals eingesetzten Saugventils ausgebildet sein. Auf diese Weise kann auf bereits bestehende Komponenten zurückgegriffen werden, so dass die Herstellungskosten sinken.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das zweite Ventil einen hin- und herbeweglichen Ventilkolben aufweist, der durch die Federkraft einer Feder gegen einen Ventilsitz axial vorgespannt ist, wobei der Ventilsitz im Steuerkolben ausgebildet ist. Die Feder zur Vorspannung des Ventilkolbens kann einerseits am Ventilkolben, andererseits am Ventilstößel bzw. an einem mit dem Ventilstößel verbundenen Federteller abgestützt sein. Auf diese Weise kann der Ventilkolben zugleich zur Betätigung des Ventilstößels eingesetzt werden. Die Ausbildung des Ventilsitzes im Steuerkolben besitzt den Vorteil, dass eine kompaktbauende Ventilanordnung geschaffen wird, bei der Steuerkolben, Ventilkolben und Ventilstößel auf einer gemeinsamen Längsachse angeordnet sind.
  • Vorteilhafterweise ist der Steuerkolben mehrteilig ausgeführt, um die Fertigung und/oder die Montage des Steuerkolbens zu vereinfachen. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Steuerkolben in Richtung des Steuerraums durch die Federkraft einer Feder axial vorgespannt ist. Die Feder unterstützt das Öffnen des zweiten Ventils.
  • Das darüber hinaus vorgeschlagene Kraftstoffsystem dient der Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas. Es zeichnet sich dadurch aus, dass es eine erfindungsgemäße Ventilanordnung zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail umfasst. Die zuvor in Zusammenhang mit der Ventilanordnung beschriebenen Vorteile erstecken sich auch auf das Kraftstoffsystem. Insbesondere kann eine hohe Funktionssicherheit des zur Medientrennung eingesetzten Dichtelements erreicht werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanordnung für ein erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • Die in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Ventilanordnung 1 dient der Gasdruckregelung in einem Gas-Rail 2 eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, wobei es sich insbesondere um Erdgas handeln kann. Hierzu weist die dargestellte Ventilanordnung 1 ein erstes Ventil 3 zur Verbindung des Gas-Rails 2 mit einem Hochdruckspeichers 4 sowie ein zweites Ventil 5 zur Verbindung des Gas-Rails 2 mit einem Gas-Rücklauf 6 auf. Das erste Ventil 3 weist einen hin- und herbeweglichen Ventilstößel 19 auf, der mittels einer Feder 20 gegen einen Ventilsitz 21 vorgespannt ist. Das zweite Ventil 5 besitzt einen Ventilkolben 22, der mittels einer Feder 23 gegen einen Ventilsitz 24 vorgespannt ist. Die Feder 34 ist hierzu einerseits am Ventilkolben 22, andererseits an einem mit dem Ventilstößel 19 verbundenen Federteller 26 abgestützt. Dies ist möglich, da der Ventilkolben 22 und der Ventilstößel 19 koaxial angeordnet sind, das heißt auf einer gemeinsamen Längsachse A liegend.
  • Die Betätigung beider Ventile 3, 5 erfolgt über einen Steuerkolben 7, der koaxial in Bezug auf den Ventilkolben 22 und den Ventilstößel 19 angeordnet ist und in axialer Richtung einen Steuerraum 8 begrenzt, der über einen Druckmittel-Zulauf 15, in dem eine Zulaufdrossel 13 ausgebildet ist, mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar ist. Bei dem hydraulischen Druckmittel kann es sich beispielsweise um einen flüssigen Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, handeln. Füllt sich der Steuerraum 8 mit hydraulischem Druckmittel, steigt der am Steuerkolben 7 stirnseitig anliegende Steuerdruck an, so dass sich der Steuerkolben 7 entgegen der Federkraft einer Feder 25 in Richtung des Ventilkolbens 22 bewegt. Der Ventilkolben 22 gelangt zur Anlage am Ventilsitz 24 und das zweite Ventil 5 schließt. Die fortgesetzte Bewegung des Steuerkolbens 7, bei der der Steuerkolben 7 den Ventilkolben 22 mitführt, bewirkt, dass der Ventilstößel 19 des ersten Ventils 3 betätigt wird und das erste Ventil 3 öffnet. In dieser Schaltstellung vermag gasförmiger Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 4 in das Gas-Rail 2 zu strömen.
  • Um das erste Ventil 3 zu schließen, wird der Steuerdruck im Steuerraum 8 gesenkt. Hierzu wird ein Druckmittel-Absteuerventil 16 geöffnet, über welches eine Verbindung des Steuerraums 8 mit einem Druckmittel-Rücklauf 12 herstellbar ist. Die Entlastung des Steuerraums 8 bewirkt, dass der Steuerkolben 7 sich nunmehr in die entgegengesetzte Richtung bewegt, wobei sich der Ventilkolben 22 vom Ventilstößel 19 löst und die Feder 20 den Ventilstößel 19 wieder in den Ventilsitz 21 zieht. Das erste Ventil 3 schließt. Der Steuerkolben 7 setzt seine Bewegung fort, bis eine Schulter 27 des Ventilkolbens 22 zur Anlage an einem gehäuseseitigen Anschlag 28 gelangt. Der Steuerkolben 7 bewegt sich nunmehr alleine weiter in Richtung des Steuerraums 8, so dass der Ventilsitz 24 des zweiten Ventils 5 geöffnet wird und eine Verbindung des Gas-Rails 2 mit dem Gas-Rücklauf 6 hergestellt ist.
  • Zur Medientrennung ist der Steuerkolben 7 von einem Dichtelement 10 in Form eines metallischen Faltenbalgs umgeben, das den Gas-Rücklauf 6 von einem Druckmittel-Leckageraum 9 trennt. Um den Druck im Druckmittel-Leckageraum 9 und damit die am Dichtelement 10 anliegende Druckdifferenz gezielt einstellen zu können, ist der Druckmittel-Leckageraum 9 einerseits über eine Zulaufdrossel 14 mit dem Druckmittel-Zulauf 15 verbunden, andererseits ist über ein Druckmittel-Absteuerventil 11 eine Verbindung des Druckmittel-Leckageraums 9 mit dem Druckmittel-Rücklauf 12 herstellbar. Das Druckmittel-Absteuerventil 11 wird elektrisch nach Maßgabe einer Steuereinheit (nicht dargestellt) betätigt, die Signale von einem im Druckmittel-Leckageraum 9 angeordneten ersten Drucksensor 17 und einem im Gas-Rücklauf 6 angeordneten zweiten Drucksensor 18 erhält und vergleicht. Auf diese Weise kann der außen und innen am Dichtelement 10 anliegende Druck derart eingestellt werden, dass die Belastung des Dichtelements 10 deutlich reduziert ist. In der Folge steigt die Funktionssicherheit und eine auf Dauer sichere Medientrennung ist gewährleistet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016207743 A1 [0002]

Claims (9)

  1. Ventilanordnung (1) zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail (2) eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, umfassend - ein erstes Ventil (3) zur Verbindung des Gas-Rails (2) mit einem Gas-Hochdruckspeicher (4), - ein zweites Ventil (5) zur Verbindung des Gas-Rails (2) mit einem Gas-Rücklauf (6) und - einen koaxial zum ersten und zum zweiten Ventil (3, 5) angeordneten Steuerkolben (7), der in axialer Richtung einen mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbaren Steuerraum (8) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (7) in radialer Richtung einen Druckmittel-Leckageraum (9) begrenzt, der durch ein Dichtelement (10) vom Gas-Rücklauf (6) getrennt und über ein Druckmittel-Absteuerventil (11) mit einem Druckmittel-Rücklauf (12) verbindbar ist.
  2. Ventilanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (8) und der Druckmittel-Leckageraum (9) jeweils über eine Zulaufdrossel (13, 14) mit einem Druckmittel-Zulauf (15) verbunden sind.
  3. Ventilanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (8) über ein weiteres Druckmittel-Absteuerventil (16) mit dem Druckmittel-Rücklauf (12) verbindbar ist.
  4. Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Druckmittel-Leckageraum (9) und/oder im Gas-Rücklauf (6) ein Drucksensor (17, 18) angeordnet ist.
  5. Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (10) ein metallischer Well- oder Faltenbalg ist, der einerseits am Steuerkolben (7), andererseits gehäuseseitig befestigt ist.
  6. Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (3) einen in axialer Richtung hin- und herbeweglichen Ventilstößel (19) aufweist, der durch die Federkraft einer Feder (20) gegen einen Ventilsitz (21) axial vorgespannt ist.
  7. Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (5) einen hin- und herbeweglichen Ventilkolben (22) aufweist, der durch die Federkraft einer Feder (23) gegen einen Ventilsitz (24) axial vorgespannt ist, wobei der Ventilsitz (24) im Steuerkolben (7) ausgebildet ist.
  8. Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (7) mehrteilig ausgeführt ist und/oder in Richtung des Steuerraums (8) durch die Federkraft einer Feder (25) axial vorgespannt ist.
  9. Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, umfassend eine Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail (2).
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