WO2019162224A1 - Ventilanordnung zur gasdruckregelung, kraftstoffsystem mit ventilanordnung zur gasdruckregelung - Google Patents

Ventilanordnung zur gasdruckregelung, kraftstoffsystem mit ventilanordnung zur gasdruckregelung Download PDF

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Benedikt Leibssle
Dirk Vahle
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Valve arrangement for gas pressure control fuel system with valve arrangement for gas pressure control
  • the invention relates to a valve arrangement for controlling the gas pressure in a gas rail of a fuel system for supplying an internal combustion engine with a gaseous fuel gene, in particular natural gas, with the features of the preamble of claim 1. Further, the invention relates to a fuel system for supplying an internal combustion engine with a gaseous fuel, in particular with natural gas, comprising such a valve arrangement.
  • the published patent application DE 10 2016 207 743 A1 discloses a fuel system for supplying an internal combustion engine with a gaseous fuel with a device for metering the gaseous fuel to an injector.
  • the A device comprises a pressure control unit with a shut-off valve, a pressure control valve and a shut-off valve, which form a structural unit. With the shut-off valve open gaseous fuel is metered, the gaseous fuel passes to the next in a high-pressure accumulator or in a gas rail to which at least one injector is connected. By opening the Abgresventils gaseous fuel can be removed from the gas rail, so that the gas pressure in the gas rail is lowered ge.
  • the control of the shut-off valve and the shut-off valve is carried out hydraulically via the control pressure in a control chamber, which can be acted upon by a hydraulic pressure medium, namely with diesel fuel.
  • a diesel pressure control valve is also provided, which is connected to a separate diesel cycle.
  • the hydraulic control of such a pressure control unit requires the use min least one sealing element for media separation.
  • a sealing element is suitable for example a diaphragm seal.
  • a corrugated or folding bellows seal can be used for media separation.
  • Such sealing elements have in common that they continue to allow a lifting movement of the control piston when they are attached to the control piston.
  • the present invention is therefore based on the object epiczuentwi crawl a valve assembly for gas pressure regulation in a gas rail of a fuel system such that a secure media separation over the life of the valve assembly is achieved.
  • valve assembly is proposed with the features of claim 1.
  • Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims.
  • a fuel system is provided with a Ventila invention arrangement.
  • the proposed valve arrangement is used for gas pressure control in a gas rail of a fuel system for supplying an internal combustion engine with a gasförmi conditions fuel, which may be in particular natural gas.
  • the Ventilanord tion includes two coaxially arranged valves for connecting the gas rails with egg nem gas inlet or with a gas return and a control piston for Actuate supply of the two valves.
  • the control piston is this preferably at least partially hollow cylinder-shaped.
  • the control piston limits a control chamber, which can be acted upon via a pressure medium inlet with a hydraulic pressure medium and can be relieved via a Druckmitel process.
  • a sealing element for medi separation is provided, wherein preferably the sealing element is connected to the control piston.
  • a controllable Druckmitel- pressure control valve Mitel for blocking or throttling of Druckmitelabhnees are provided from the control room.
  • the additional Mitel ensure that there is no unwanted Druckab construction in the control room in case of malfunction of Druckmitel- pressure control valve. They thus prevent the sealing element occurring high pressure differences, which could lead to damage to the sealing element. In the se way a secure media separation over the life of the Ventilanord voltage is achieved.
  • the additional Mitel for blocking or throttling the Druckmitelabhnes are preferably self-regulating and require no further technical hedging tion. In this way, the design and manufacturing implementation can be simplified ver.
  • the means for blocking or throttling the Druckmitelabhnes from the control room may be in particular hydraulically effective elements that limit the pressure reduction in the control room to an allowable pressure gradient.
  • the hydraulically active elements are preferably arranged between the control chamber and the pressure medium pressure control valve.
  • the Mitel for blocking or throttling of Druckmitelabhnes from the control chamber comprise a sealing seat for the control piston. If the control piston at the sealing seat, it blocks the Druckmitelab kg, preferably in the direction of Druckmitel-drain.
  • the sealing seat can be designed as a flat seat or conical seat. Furthermore, the sealing seat can cooperate with a sealing geometry formed on the control piston.
  • an annular upper stroke stop of the control piston can be performed as a sealing seat. Falls in case of failure of the Druckmitel- pressure control valve, the pressure in the control room, the voltage applied to the control piston behave proportions to the fact that the control piston moves in the direction of the stroke stop and comes to rest on the sealing seat. In this position, the control piston prevents further pressure fluid drainage. The pressure conditions applied to the control piston are lost other from the sealing seat diameter. On the seat diameter can thus be influenced when the spool comes to rest on the sealing seat and blocks the pressure fluid drain.
  • the pressure reduction in the control chamber can be limited to a permissible pressure reduction gradient via the outlet throttle.
  • the means for blocking or Dros selung the pressure fluid flow include a check valve, which is integrated into the pressure medium inlet. This ensures that under unfavorable pressure ratio sen no hydraulic pressure medium flows through the pressure medium inlet. For example, the pressure could drop in the area of the pressure medium supply, so that for a short time the pressure in the control chamber is higher than in the pressure medium inlet.
  • the check valve prevents hydraulic pressure fluid from flowing out via the pressure medium inlet.
  • an inlet throttle is integrated in the pressure medium inlet.
  • the inflow of hydraulic pressure medium can be adjusted in the control room.
  • an outflow throttle is arranged in the pressure medium sequence, the two throttle cross-sections must be matched to each other who the.
  • a check valve for blocking the pressure medium discharge from the control chamber is provided in the pressure medium inlet in addition to the inlet throttle, an arrangement can be selected in which the inlet throttle is combined with the check valve kom.
  • a valve with check and throttle function can be integrated.
  • the pressure medium pressure control valve inte grated in the pressure medium sequence Normally, thus controls the pressure fluid pressure control valve Druckschab flow from the control room.
  • the controllable valve can fail, he is inventively additional means for blocking or throttling of the Druckstoffab flow provided that engage automatically in case of failure of the pressure medium pressure control valve.
  • the media separation serving sealing element is preferably a metallic corrugated or bellows, on the one hand on the control piston, on the other hand, the housing side be strengthened.
  • a reliable media separation is achieved.
  • the movement of the control piston is not restricted by the sealing element.
  • Be limited mechanical load capacity of the sealing element is thereby taken into account that in addition to the Druckmitel- pressure control valve additional Mitel for blocking or throttling the Druckmitelabhnes are provided from the control room. The se make sure that there is no pressure drop in the control room in case of failure of Druckmitel- pressure control valve. Dangerously high pressure differences, which could lead to damage of the sealing element, are therefore not to be feared.
  • the valve which serves to connect the gas rail to the gas inlet, has before given to a back and forth in the axial direction of the valve lifter, which is axially biased by the spring force of a spring against a valve seat.
  • the valve tappet opens into the gas inlet, so that the gas pressure in the gas inlet exerts an additional closing force on the valve tappet.
  • the valve which serves to connect the gas rail to the gas return, preferably has a reciprocating valve piston, which is axially biased by the spring force of a spring against a valve seat.
  • the valve piston is arranged coaxially with respect to the valve stem of the first valve.
  • the valve piston is accommodated in the control piston, so that the control piston can be used for actuation in the valves.
  • the spring is supported on the one hand on the valve piston on the other hand on the control piston. The bias of the valve piston in Rich tion of the valve seat and the bias of the control piston against the control pressure in the control room can therefore be effected with a spring.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal section through an inventive Ventilanord voltage according to a first preferred embodiment
  • FIG. 2 is a schematic longitudinal section through an inventive Ventilanord voltage according to a second preferred embodiment
  • FIG. 3 is a schematic longitudinal section through an inventive Ventilanord voltage according to a third preferred embodiment
  • Fig. 4 is a schematic longitudinal section through an inventive Ventilanord voltage according to a fourth preferred embodiment.
  • Fig. 5 is a diagram for the graphic representation of the pressure reduction in the control chamber compared to the pressure reduction in the gas reflux.
  • FIG. 1 shows a valve arrangement 1 for gas pressure regulation in a gas rail 2 of a fuel system for supplying an internal combustion engine with a gaseous fuel.
  • the gaseous fuel may be, in particular, natural gas.
  • the illustrated valve arrangement 1 has a first valve 3, via which the gas rail 2 can be connected to a gas inlet 5, and a second valve 4, which serves to connect the gas rail 2 to a gas return 6.
  • the two valves 3, 4 are arranged coaxially and are actuated via a common control piston 7.
  • the control piston 7 is formed here to at least partially hollow cylindrical.
  • the first valve 3 has a reciprocating valve tappet 19, which is biased by a spring 20 against a valve seat 21.
  • the second valve 4 has a valve piston 22 which is received in the control piston 7 and by means of a spring 23 is biased against a valve seat 24.
  • the spring 23 is on the one hand on the valve piston 22, on the other hand supported on the control piston 7.
  • the control piston 7, the valve piston 22 and the valve stem 19 have a common longitudinal axis A, along which they reciprocate.
  • the control piston 7 defines a control chamber 8, which is acted upon via a pressure medium inlet 9 with a hydraulic pressure medium.
  • the feed takes place via an inlet throttle 17.
  • the hydraulic pressure medium can be, for example, a liquid fuel, in particular diesel fuel.
  • control piston 7 is characterized acted on the front side by a hydraulic pressure force, which causes a displacement of the control piston 7 against the spring force of the spring 23 in the direction of the valve piston 22.
  • the arranged between the control piston 7 and the valve piston 22 spring 23 pushes the valve piston 22 in the valve seat 24, so that it can not follow the movement of the control piston 7.
  • the control piston 7 continues its motion alone and comes to rest on a force transmission element 28, which serves to actuate the valve stem 19 of the valve 3.
  • the valve 3 opens and connects the gas inlet 5 with the gas rail 2.
  • the end position of the control piston 7 is determined by a valve piston 22 formed on the impact surface 27.
  • valve 3 To close the valve 3, the pressure in the control chamber 8 is lowered.
  • a pressure medium pressure control valve 18 is opened, which is arranged in a pressure fluid outlet 10 at.
  • the pressure reduction has the consequence that the spring force of the spring 23 now moves the control piston 7 in the opposite direction.
  • the control piston 7 loses contact with the force transmission element 28, so that the Fe 20 is able to pull the valve stem 19 in the valve seat 21.
  • a formed on the control piston 7 paragraph 26 comes into contact with a collar 25 of the valve piston 22, so that the control piston 7 carries the valve piston 22 and lifts out of his valve seat 24.
  • the valve 4 opens, so that the gas rail 2 is connected to the gas return line 6.
  • both valves 3, 4 can be controlled via the pressure in the control chamber 8.
  • a sealing element 11 is provided, which in the present case is designed as a metallic bellows.
  • the sealing element 11 is on the one hand on the control piston 7, on the other hand fixed to the housing side. Since high pressure differences can damage the sealing element 11, it is necessary to prevent unwanted pressure reduction in the control chamber 8. The risk, for example, in case of failure of the pressure medium pressure control valve 18.
  • means 12 for blocking or Drosse development of a pressure medium discharge from the control chamber 8 are provided.
  • these means 12 include a worndros sel 15, which is integrated into the pressure medium flow 10.
  • the outlet throttle 15 limits the pressure reduction in the control chamber 8 to a permissible pressure reduction gradient.
  • FIG. 2 another embodiment of a Ventilan Regulation 1 according to the invention is shown, in which the means 12 for blocking or throttling the pressure medium outflow from the control chamber 8 a sealing seat 13 for the control piston 7 to take.
  • the sealing seat 13 separates from the control chamber 8 from an annular space 30, in which the pressure medium inlet 9 opens. If the pressure in the control chamber 8 breaks, the pressure conditions applied to the control piston 7 cause it to be placed in the sealing seat 13.
  • the annular space 30 is further filled via the pressure medium inlet 9 with hydrau lic pressure medium, so that builds up a back pressure, which also rests on an annular surface 30 which is defined by the diameters Di and D 2 .
  • FIG. 2 also has a modified control piston 7 and a modified valve piston 22.
  • the valve piston 22 is executed from a sectionally hollow cylindrical and guided over a guide pin 31 of the control piston 7.
  • the driver function is presently realized by a ring collar 25 'on the guide pin 31 and a shoulder 26' on the valve piston 22.
  • 3 is another embodiment of an inventive Ventilanord statement 1 can be seen.
  • the embodiment corresponds essentially to that of FIG. 1 with the difference that the means 12 for blocking or throttling the Druckschab flow from the control chamber 8 - analogous to the embodiment of FIG. 2 - comprise a sealing seat 13 for the control piston 7.
  • the means 12 for blocking or throttling the Druckschab flow from the control chamber 8 - analogous to the embodiment of FIG. 2 - comprise a sealing seat 13 for the control piston 7.
  • the sealing seat 13 is not out as a flat seat, but as a conical seat leads.
  • sealing geometry 14 is formed on the control piston 7 also cooperating with the sealing seat 13.
  • the sealing seat diameter is significantly reduced compared to the diameter Di of the control piston 7.
  • the on the control piston 7 ver remaining annular surface 29 is correspondingly larger. In this way, a Druckab construction wave can be realized with only a small pressure wave difference to the gas pressure, which zen an approximately uniform pressure reduction behavior with very small pressure differentials on the sealing element 11 result (see Fig. 5, curve 4).
  • the means 12 for blocking or throttling the pressure fluid flow from the control chamber 8 in the pressure medium inlet may - alternatively or in addition to the vorste initially described measures - the means 12 for blocking or throttling the pressure fluid flow from the control chamber 8 in the pressure medium inlet.
  • 9 integrated check valve 16 include. This embodiment is shown by way of example in FIG. 4. As indicated by the dashed frame, the check valve 16 and the inlet throttle 17 can be summarized. It is irrelevant whether the inlet throttle 17 is arranged upstream or downstream of the check valve 16 in the pressure medium inlet 9.
  • Curve 1 shows the pressure reduction in STEU erraum 8 in case of failure of the pressure medium pressure control valve 18 against the also applied to the sealing element gas pressure (curve 2). Since the curve 1 is significantly steeper than the curve 2, resulting over time high pressure differences, which can lead to damage to the sealing element 11.
  • the curve 3 shows the pressure reduction in the control chamber 8, when means 12 are provided analogously to the embodiment of FIG.
  • the pressure reduction in the control chamber 8 is wavy to the straight-line Ver run of the curve 2, that is, for gas pressure reduction. There are thus no high pressure differences.

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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 zwei koaxial angeordnete Ventile (3, 4) zur Verbindung des Gas-Rails (2) mit einem Gas-Zulauf (5) oder mit einem Gas-Rücklauf (6) sowie einen Steuerkolben (7) zur Betätigung der beiden Ventile (3, 4), wobei der Steuerkolben (7) einen Steuerraum (8) begrenzt, der über einen Druckmittel-Zulauf (9) mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar und über einen Druckmittel-Ablauf (10) entlastbar ist, und wobei ein Dichtelement (11) zur Medientrennung vorgesehen ist. Erfindungsgemäß sind zusätzlich zu einem ansteuerbaren Druckmittel- Drucksteuerventil (18) Mittel (12) zur Sperrung oder Drosselung des Druckmittelabflusses aus dem Steuerraum (8) vorgesehen. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftstoffsystem mit einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung (1) zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail (2).

Description

Beschreibung
Titel:
Ventilanordnung zur Gasdruckregelung, Kraftstoffsystem mit Ventilanordnung zur Gas druckregelung
Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmi gen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An spruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, um fassend eine solche Ventilanordnung.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2016 207 743 Al ist ein Kraftstoffsystem zur Ver sorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Brennstoff mit einer Einrich tung zur Zumessung des gasförmigen Brennstoffs zu einem Injektor bekannt. Die Ein richtung umfasst eine Druckregeleinheit mit einem Absperrventil, einem Drucksteuer ventil und einem Absteuerventil, die eine Baueinheit bilden. Bei geöffnetem Absperr ventil wird gasförmiger Brennstoff zugemessen, wobei der gasförmige Brennstoff zu nächst 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 ge senkt 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 min destens eines Dichtelements zur Medientrennung. Als Dichtelement eignet sich bei spielsweise eine Membrandichtung. Darüber hinaus kann auch eine Well- oder Falten balgdichtung zur Medientrennung eingesetzt werden. Derartige Dichtelemente haben gemein, dass sie weiterhin eine Hubbewegung des Steuerkolbens zulassen, wenn sie am Steuerkolben befestigt werden. Als nachteilig erweist sich jedoch ihre begrenzte mechanische Belastbarkeit, insbesondere bei anliegenden hohen Druckdifferenzen. Kommt es beispielsweise bei einer Fehlfunktion des Dieseldrucksteuerventils zu einem schlagartigen Druckabfall im Steuerraum, kann kurzzeitig eine extrem hohe Druckdiffe renz am Dichtelement auftreten. Diese kann dann zu einer irreparablen Schädigung des Dichtelements führen (plastische Verformung, Rissbildung), so dass die Funktion des Gasdruckreglers nachhaltig gestört ist. Im schlimmsten Fall kann es zu einer Gas leckage in den Bereich des Dieselrücklaufs kommen, so dass sich im Dieseltank ein explosionsfähiges Gas-Diesel-Gemisch bilden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail eines Kraftstoffsystems derart weiterzuentwi ckeln, 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 Ventila nordnung angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Die vorgeschlagene Ventilanordnung dient der Gasdruckregelung in einem Gas-Rail eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmi gen Kraftstoff, wobei es sich insbesondere um Erdgas handeln kann. Die Ventilanord nung umfasst zwei koaxial angeordnete Ventile zur Verbindung des Gas-Rails mit ei nem Gas-Zulauf oder mit einem Gas-Rücklauf sowie einen Steuerkolben zur Betäti gung der beiden Ventile. Der Steuerkolben ist hierzu bevorzugt zumindest abschnitts weise hohlzylinderförmig ausgeführt. Der Steuerkolben begrenzt einen Steuerraum, der über einen Druckmittel-Zulauf mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar und über einen Druckmitel-Ablauf entlastbar ist. Ferner ist ein Dichtelement zur Medi entrennung vorgesehen, wobei vorzugsweise das Dichtelement mit dem Steuerkolben verbunden ist. Erfindungsgemäß sind zusätzlich zu einem ansteuerbaren Druckmitel- Drucksteuerventil Mitel zur Sperrung oder Drosselung des Druckmitelabflusses aus dem Steuerraum vorgesehen. Die zusätzlichen Mitel stellen sicher, dass es bei einer Fehlfunktion des Druckmitel- Drucksteuerventils nicht zu einem ungewollten Druckab bau im Steuerraum kommt. Sie verhindern somit am Dichtelement auftretende hohe Druckdifferenzen, die zu einer Schädigung des Dichtelements führen könnten. Auf die se Weise wird eine sichere Medientrennung über die Lebensdauer der Ventilanord nung erreicht.
Die zusätzlichen Mitel zur Sperrung oder Drosselung des Druckmitelabflusses sind vorzugsweise selbstregulierend und bedürfen keiner weiteren technischen Absiche rung. Auf diese Weise kann die konstruktive und fertigungstechnische Umsetzung ver einfacht werden.
Bei den Miteln zur Sperrung oder Drosselung des Druckmitelabflusses aus dem Steuerraum kann es sich insbesondere um hydraulisch wirksame Elemente handeln, die den Druckabbau im Steuerraum auf einen zulässigen Druckgradienten begrenzen. Die hydraulisch wirksamen Elemente sind hierzu bevorzugt zwischen dem Steuerraum und dem Druckmitel- Drucksteuerventil angeordnet.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Mitel zur Sperrung oder Drosselung des Druckmitelabflusses aus dem Steuerraum einen Dichtsitz für den Steuerkolben. Liegt der Steuerkolben am Dichtsitz an, sperrt er den Druckmitelabfluss, und zwar vorzugsweise in Richtung des Druckmitel-Ablaufs. Der Dichtsitz kann dabei als Flachsitz oder Kegelsitz ausgeführt sein. Ferner kann der Dichtsitz mit einer am Steuerkolben ausgebildeten Dichtgeometrie Zusammenwirken.
Beispielsweise kann ein ringförmiger oberer Hubanschlag des Steuerkolbens als Dichtsitz ausgeführt werden. Fällt bei einem Ausfall des Druckmitel- Drucksteuerventils der Druck im Steuerraum ab, führen die am Steuerkolben anliegenden Druckverhält nisse dazu, dass sich der Steuerkolben in Richtung des Hubanschlags bewegt und zur Anlage am Dichtsitz gelangt. In dieser Lage verhindert der Steuerkolben den weiteren Druckmitelabfluss. Die am Steuerkolben anliegenden Druckverhältnisse hängen unter anderem vom Dichtsitzdurchmesser ab. Über den Dichtsitzdurchmesser kann somit beeinflusst werden, wann der Steuerkolben zur Anlage am Dichtsitz gelangt und den Druckmittelabfluss sperrt.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Mittel zur Sperrung oder Drosselung des Druckmittelabflusses aus dem Steuerraum eine Ab laufdrossel, die in den Druckmittel-Ablauf integriert ist. Über die Ablaufdrossel kann der Druckabbau im Steuerraum auf einen zulässigen Druckabbaugradienten begrenzt werden.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Mittel zur Sperrung oder Dros selung des Druckmittelablaufs ein Rückschlagventil umfassen, das in den Druckmittel- Zulauf integriert ist. Dadurch ist sichergestellt, dass bei ungünstigen Druckverhältnis sen kein hydraulisches Druckmittel über den Druckmittel-Zulauf abfließt. Beispielsweise könnte im Bereich der Druckmittelversorgung der Druck einbrechen, so dass kurzzeitig der Druck im Steuerraum höher als im Druckmittel-Zulauf ist. Das Rückschlagventil verhindert in diesem Fall, dass hydraulisches Druckmittel über den Druckmittel-Zulauf abfließt.
Bevorzugt ist in den Druckmittel-Zulauf eine Zulaufdrossel integriert. Über den Dros selquerschnitt der Zulaufdrossel kann der Zufluss von hydraulischem Druckmittel in den Steuerraum eingestellt werden. Sofern im Druckmittel-Ablauf eine Ablaufdrossel angeordnet ist, müssen die beiden Drosselquerschnitte aufeinander abgestimmt wer den. Sofern im Druckmittel-Zulauf neben der Zulaufdrossel ein Rückschlagventil zur Sperrung des Druckmittelabflusses aus dem Steuerraum vorgesehen ist, kann eine Anordnung gewählt werden, bei der die Zulaufdrossel mit dem Rückschlagventil kom biniert ist. Beispielsweise kann in den Druckmittel-Zulauf ein Ventil mit Rückschlag- und Drosselfunktion integriert werden.
Vorteilhafterweise ist das Druckmittel- Drucksteuerventil in den Druckmittel- Ablauf inte griert. Im Normalfall steuert somit das Druckmittel- Drucksteuerventil den Druckmittelab fluss aus dem Steuerraum. Da das ansteuerbare Ventil jedoch ausfallen kann, sind er findungsgemäß zusätzliche Mittel zur Sperrung oder Drosselung des Druckmittelab flusses vorgesehen, die bei einem Ausfall des Druckmittel- Drucksteuerventils automa tisch greifen. Vorzugsweise ist das Druckmittel- Drucksteuerventil stromabwärts der Mit- tel zur Sperrung oder Drosselung des Druckmitelabflusses aus dem Steuerraum an geordnet. Dadurch wird die Montage erleichtert.
Das der Medientrennung dienende Dichtelement ist vorzugsweise ein metallischer Well- oder Faltenbalg, der einerseits am Steuerkolben, andererseits gehäuseseitig be festigt ist. Somit wird eine zuverlässige Medientrennung erreicht. Gleichzeitig wird die Bewegung des Steuerkolbens durch das Dichtelement nicht eingeschränkt. Der be grenzten mechanischen Belastbarkeit des Dichtelements wird dadurch Rechnung ge tragen, dass neben dem Druckmitel- Drucksteuerventil zusätzliche Mitel zur Sperrung oder Drosselung des Druckmitelabflusses aus dem Steuerraum vorgesehen sind. Die se stellen sicher, dass es bei einem Ausfall des Druckmitel- Drucksteuerventils nicht zu einem Druckeinbruch im Steuerraum kommt. Gefährlich hohe Druckdifferenzen, die zu einer Beschädigung des Dichtelements führen könnten, sind somit nicht zu befürchten.
Das Ventil, das der Verbindung des Gas-Rails mit dem Gas-Zulauf dient, weist bevor zugt einen in axialer Richtung hin- und herbeweglichen Ventilstößel auf, der durch die Federkraft einer Feder gegen einen Ventilsitz axial vorgespannt ist. Vorzugsweise öff net der Ventilstößel in den Gas-Zulauf hinein, so dass der Gasdruck im Gas-Zulauf ei ne zusätzliche Schließkraft auf den Ventilstößel ausübt.
Das Ventil, das der Verbindung des Gas-Rails mit dem Gas-Rücklauf dient, weist be vorzugt einen hin- und herbeweglichen Ventilkolben auf, der durch die Federkraft einer Feder gegen einen Ventilsitz axial vorgespannt ist. Der Ventilkolben ist dabei koaxial in Bezug auf den Ventilstößel des ersten Ventils angeordnet. Vorzugsweise ist der Ventil kolben im Steuerkolben aufgenommen, so dass der Steuerkolben zur Betätigung bei der Ventile einsetzbar ist. Ferner bevorzugt ist die Feder einerseits am Ventilkolben andererseits am Steuerkolben abgestützt. Die Vorspannung des Ventilkolbens in Rich tung des Ventilsitzes und die Vorspannung des Steuerkolbens gegen den im Steuer raum vorhandenen Steuerdruck kann demnach mit einer Feder bewirkt werden.
Darüber hinaus wird ein Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, umfassend eine erfindungs gemäße Ventilanordnung zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail vorgeschlagen, da hierin eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Ventilanordnung zu sehen ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanord nung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanord nung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanord nung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanord nung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform, und
Fig. 5 ein Diagramm zur graphischen Darstellung des Druckabbaus im Steuerraum gegenüber dem Druckabbau im Gas-Rücklauf.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der Fig. 1 ist eine Ventilanordnung 1 zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail 2 eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff zu entnehmen. Bei dem gasförmigen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas handeln. Die dargestellte Ventilanordnung 1 weist hierzu ein erstes Ventil 3 auf, über welches das Gas-Rail 2 mit einem Gas-Zulauf 5 verbindbar ist, sowie ein zweites Ventil 4, das der Verbindung des Gas-Rails 2 mit einem Gas-Rücklauf 6 dient. Durch wahlweise Öffnen und Schließen der Ventile 3, 4 kann der Gasdruck im Gas-Rail 2 an gehoben oder gesenkt werden. Die beiden Ventile 3, 4 sind koaxial angeordnet und werden über einen gemeinsamen Steuerkolben 7 betätigt. Der Steuerkolben 7 ist hier zu zumindest abschnittsweise hohlzylinderförmig ausgebildet.
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 4 besitzt einen Ventilkolben 22, der im Steuerkolben 7 aufgenommen und mittels einer Feder 23 gegen einen Ventilsitz 24 vorgespannt ist. Die Feder 23 ist hierzu einerseits am Ventil kolben 22, andererseits am Steuerkolben 7 abgestützt. Der Steuerkolben 7, der Ventil kolben 22 und der Ventilstößel 19 weisen eine gemeinsame Längsachse A auf, entlang welcher sie sich hin- und herbewegen.
Der Steuerkolben 7 begrenzt einen Steuerraum 8, der über einen Druckmittel-Zulauf 9 mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar ist. Der Zulauf erfolgt dabei über eine Zulaufdrossel 17. Bei dem hydraulischen Druckmittel kann es sich beispielsweise um einen flüssigen Kraftstoff, insbesondere um Dieselkraftstoff, handeln.
Füllt sich der Steuerraum 8 mit hydraulischem Druckmittel, steigt der Druck im Steuer raum 8 an. Der Steuerkolben 7 wird dadurch stirnseitig von einer hydraulischen Druck kraft beaufschlagt, die eine Verschiebung des Steuerkolbens 7 entgegen der Feder kraft der Feder 23 in Richtung des Ventilkolbens 22 bewirkt. Die zwischen dem Steuer kolben 7 und dem Ventilkolben 22 angeordnete Feder 23 drückt den Ventilkolben 22 in den Ventilsitz 24, so dass dieser der Bewegung des Steuerkolbens 7 nicht folgen kann. Der Steuerkolben 7 setzt seine Bewegung allein fort und gelangt zur Anlage an einem Kraftübertragungselement 28, das der Betätigung des Ventilstößels 19 des Ventils 3 dient. Das Ventil 3 öffnet und verbindet den Gas-Zulauf 5 mit dem Gas-Rail 2. Die End lage des Steuerkolbens 7 wird dabei über eine am Ventilkolben 22 ausgebildete An schlagfläche 27 bestimmt.
Um das Ventil 3 zu schließen, wird der Druck im Steuerraum 8 abgesenkt. Hierzu wird ein Druckmittel- Drucksteuerventil 18 geöffnet, das in einem Druckmittel-Ablauf 10 an geordnet ist. Die Druckabsenkung hat zur Folge, dass die Federkraft der Feder 23 den Steuerkolben 7 nunmehr in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Dabei verliert der Steuerkolben 7 den Kontakt mit dem Kraftübertragungselement 28, so dass die Fe der 20 den Ventilstößel 19 in den Ventilsitz 21 zu ziehen vermag. Ferner gelangt ein am Steuerkolben 7 ausgebildeter Absatz 26 zur Anlage an einem Ringbund 25 des Ventilkolbens 22, so dass der Steuerkolben 7 den Ventilkolben 22 mitführt und aus sei nem Ventilsitz 24 hebt. Nunmehr öffnet das Ventil 4, so dass das Gas-Rail 2 mit dem Gas-Rücklauf 6 verbunden ist. Über den Druck im Steuerraum 8 können somit beide Ventile 3, 4 gesteuert werden. Um die Medien gasförmiger Kraftstoff und hydraulisches Druckmittel zu trennen, ist ein Dichtelement 11 vorgesehen, dass vorliegend als metallischer Faltenbalg ausgeführt ist. Das Dichtelement 11 ist einerseits am Steuerkolben 7, andererseits gehäuseseitig befestigt. Da hohe Druckdifferenzen das Dichtelement 11 beschädigen können, gilt es einen ungewollten Druckabbau im Steuerraum 8 zu verhindern. Die Gefahr besteht beispielsweise bei einem Ausfall des Druckmittel- Drucksteuerventils 18. Um einen un gewollten Druckabbau zu verhindern, sind daher Mittel 12 zur Sperrung oder Drosse lung eines Druckmittelabflusses aus dem Steuerraum 8 vorgesehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 umfassen diese Mittel 12 eine Ablaufdros sel 15, die in den Druckmittel-Ablauf 10 integriert ist. Bei einem Ausfall des Druckmittel- Drucksteuerventils 18 begrenzt die Ablaufdrossel 15 den Druckabbau im Steuerraum 8 auf einen zulässigen Druckabbaugradienten.
In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilan ordnung 1 dargestellt, bei dem die Mittel 12 zur Sperrung oder Drosselung des Druck mittelabflusses aus dem Steuerraum 8 einen Dichtsitz 13 für den Steuerkolben 7 um fassen. Der Dichtsitz 13 trennt vom Steuerraum 8 einen Ringraum 30 ab, in den der Druckmittel-Zulauf 9 mündet. Bricht der Druck im Steuerraum 8 ein, führen die am Steuerkolben 7 anliegenden Druckverhältnisse dazu, dass dieser in den Dichtsitz 13 gestellt wird. Der Ringraum 30 wird über den Druckmittel-Zulauf 9 weiterhin mit hydrau lischem Druckmittel befüllt, so dass sich ein Gegendruck aufbaut, der auch auf einer Ringfläche 30 lastet, die durch die Durchmesser Di und D2 definiert ist. Auf den Steu erkolben 7 wirkt somit auch eine hydraulische Öffnungskraft, die dazu führt, dass die Verbindung des Ringraums 30 zum Steuerraum 8 nicht vollständig unterbrochen ist, sondern einen gewissen Druckabbau im Ringraum 30 zulässt. Damit baut sich der Druck im Ringraum 30 wellenförmig ab (siehe Fig. 5, Kurve 3).
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 weist darüber hinaus einen abgewandelten Steuer kolben 7 und einen abgewandelten Ventilkolben 22 auf. Der Ventilkolben 22 ist ab schnittsweise hohlzylinderförmig ausgeführt und über einen Führungszapfen 31 des Steuerkolbens 7 geführt. Die Mitnehmerfunktion wird vorliegend durch einen Ring bund 25‘ am Führungszapfen 31 und einen Absatz 26‘ am Ventilkolben 22 realisiert. Der Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilanord nung 1 zu entnehmen. Die Ausführung entspricht im Wesentlichen der der Fig. 1 mit dem Unterschied, dass die Mittel 12 zur Sperrung oder Drosselung des Druckmittelab flusses aus dem Steuerraum 8 - analog dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 - einen Dichtsitz 13 für den Steuerkolben 7 umfassen. Im Unterschied zum Ausführungsbei spiel der Fig. 2 ist hier der Dichtsitz 13 nicht als Flachsitz, sondern als Kegelsitz ausge führt. Am Steuerkolben 7 ist zudem eine mit dem Dichtsitz 13 zusammenwirkende Dichtgeometrie 14 ausgebildet. Ferner ist der Dichtsitzdurchmesser gegenüber dem Durchmesser Di des Steuerkolbens 7 deutlich reduziert. Die am Steuerkolben 7 ver bleibende Ringfläche 29 ist entsprechend größer. Auf diese Weise kann eine Druckab bauwelle mit nur geringer Druckwellendifferenz zum Gasdruck realisiert werden, was ein annähernd gleichförmiges Druckabbauverhalten mit sehr geringen Druckdifferen zen am Dichtelement 11 zur Folge hat (siehe Fig. 5, Kurve 4).
Um einen unerwünschten Druckabfall im Steuerraum 8 bei einem Druckeinbruch im Druckmittel-Zulauf 9 zu verhindern, können - alternativ oder ergänzend zu den vorste hend beschriebenen Maßnahmen - die Mittel 12 zur Sperrung oder Drosselung des Druckmittelabflusses aus dem Steuerraum 8 ein in den Druckmittel-Zulauf 9 integrier tes Rückschlagventil 16 umfassen. Diese Ausführungsform ist beispielhaft in der Fig. 4 dargestellt. Wie durch den gestrichelten Rahmen angedeutet, können das Rückschlag ventil 16 und die Zulaufdrossel 17 zusammengefasst werden. Unerheblich ist, ob die Zulaufdrossel 17 stromaufwärts oder stromabwärts des Rückschlagventils 16 im Druckmittel-Zulauf 9 angeordnet ist.
In dem Diagramm der Fig. 5 ist der Druckabbau über die Zeit bei einem Ausfall des Druckmittel- Drucksteuerventils 18 dargestellt. Kurve 1 zeigt den Druckabbau im Steu erraum 8 bei Ausfall des Druckmittel- Drucksteuerventils 18 gegenüber dem ebenfalls am Dichtelement anliegenden Gasdruck (Kurve 2). Da die Kurve 1 deutlich steiler als die Kurve 2 ist, ergeben sich über die Zeit hohe Druckdifferenzen, die zu einer Beschä digung des Dichtelements 11 führen können. Die Kurve 3 zeigt den Druckabbau im Steuerraum 8, wenn Mittel 12 analog dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 vorgesehen sind. Der Druckabbau im Steuerraum 8 verläuft wellenförmig um den gradlinigen Ver lauf der Kurve 2, das heißt zum Gasdruckabbau. Es entstehen somit keine hohen Druckdifferenzen. Die Kurve 4, die sich auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 bezieht, zeigt sogar ein fast gleichförmiges Druckabbauverhalten mit sehr geringen Druckdiffe renzen zum Gasdruck.

Claims

Ansprüche
1. Ventilanordnung (1) zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail (2) eines Kraft stoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraft stoff, insbesondere mit Erdgas, umfassend zwei koaxial angeordnete Ventile (3, 4) zur Verbindung des Gas-Rails (2) mit einem Gas-Zulauf (5) oder mit einem Gas- Rücklauf (6) sowie einen Steuerkolben (7) zur Betätigung der beiden Ventile (3, 4), wobei der Steuerkolben (7) einen Steuerraum (8) begrenzt, der über einen Druckmittel- Zulauf (9) mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar und über einen Druck mittel-Ablauf (10) entlastbar ist, und wobei ein Dichtelement (11) zur Medientrennung vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu einem ansteuerbaren Druckmittel- Drucksteuerventil (18) Mittel (12) zur Sperrung oder Drosselung des Druckmittelabflus ses aus dem Steuerraum (8) vorgesehen sind.
2. Ventilanordnung (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12) einen Dichtsitz (13) für den Steuerkol ben (7) umfassen, wobei vorzugsweise der Dichtsitz (13) als Flachsitz oder Kegelsitz ausgeführt ist und/oder mit einer am Steuerkolben (7) ausgebildeten Dichtgeomet rie (14) zusammenwirkt.
3. Ventilanordnung (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12) eine Ablaufdrossel (15) umfassen, die in den Druckmittel-Ablauf (10) integriert ist.
4. Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12) ein Rückschlagventil (16) umfassen, das in den Druckmittel-Zulauf (9) integriert ist.
5. Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in den Druckmittel-Zulauf (9) eine Zulaufdrossel (17) integriert ist, wobei vorzugsweise die Zulaufdrossel (17) mit dem Rückschlagventil (16) kombiniert ist.
6. Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmittel- Drucksteuerventil (18) in den Druck mittel-Ablauf (10) integriert ist, und zwar vorzugsweise stromabwärts der Mittel (12) zur Sperrung oder Drosselung des Druckmittelabflusses aus dem Steuerraum (8).
7. Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (11) ein metallischer Well- oder Fal tenbalg ist, der einerseits am Steuerkolben (7), andererseits gehäuseseitig befestigt ist.
8. Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (3) zur Verbindung des Gas-Rails (2) mit dem Gas-Zulauf (5) einen in axialer Richtung hin- und herbeweglichen Ventilstößel (19) aufweist, der durch die Federkraft einer Feder (20) gegen einen Ventilsitz (21) axial vorgespannt ist.
9. Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (4) zur Verbindung des Gas-Rails (2) mit dem Gas-Rücklauf (6) einen hin- und herbeweglichen Ventilkolben (22) aufweist, der durch die Federkraft einer Feder (23) gegen einen Ventilsitz (24) axial vorgespannt ist, wobei vorzugsweise der Ventilkolben (22) im Steuerkolben (7) aufgenommen ist und die Feder (23) einerseits am Ventilkolben (22) andererseits am Steuerkolben (7) abge stützt ist.
10. Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmi gen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, umfassend eine Ventilanordnung (1) nach ei nem der vorhergehenden Ansprüche zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail (2).
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