DE102014218818A1 - Pressure reducing device for a device for supplying fuel and device for supplying fuel - Google Patents
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Abstract
Eine Druckminderungseinrichtung (9) für eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für ein mit verdichtetem Gas betriebenes Fahrzeug (1) ist zur Reduzierung eines Kraftstoffdruckes von einem Tankdruck auf einen Versorgungsdruck einer Kraftstoffeinblasvorrichtung (4) geeignet und weist ein Gehäuse (11) auf, wobei ein Bereich einer Außenseite (25) des Gehäuses (11) als Erwärmungsbereich (26) ausgebildet ist und eine vergrößerte Oberfläche mit Wärmeaustauschstrukturen aufweist.A pressure reducing device (9) for a fuel supply device for a compressed gas fueled vehicle (1) is suitable for reducing a fuel pressure from a tank pressure to a supply pressure of a fuel injector (4) and has a housing (11), wherein a portion of Outer side (25) of the housing (11) is formed as a heating region (26) and has an enlarged surface with heat exchange structures.
Description
Die Erfindung betrifft eine Druckminderungseinrichtung für eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung sowie eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung mit einer Druckminderungseinrichtung für ein mit verdichtetem Gas betriebenes Fahrzeug. The invention relates to a pressure reducing device for a device for supplying fuel and a device for supplying fuel with a pressure reducing device for a vehicle operated with compressed gas.
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, das in verschiedenen Zusammensetzungen vorkommt, reines Methan und Wasserstoff verstanden. A compressed gas is understood here and below to mean a gaseous fuel which is stored in the vehicle in a pressure vessel. For example, natural gas, which occurs in various compositions, is understood to mean pure methane and hydrogen.
Aus der
Bei dieser Reduzierung des Druckes fällt an der Druckminderungseinrichtung Kälte an, die zu einer Vereisung der Druckminderungseinrichtung führen kann. Eine Vereisung kann sowohl auf der Außenseite der Druckminderungseinrichtung als auch in ihrem Innern auftreten. In this reduction of the pressure drops to the pressure reducing device to cold, which can lead to icing of the pressure reducing device. Icing may occur both on the outside of the pressure reducing device and in its interior.
Aus der
Eine alternative Lösung, die bereits in auf dem Markt befindlichen Systemen verwirklicht ist, ist der Anschluss von Bauteilen der Druckminderungseinrichtung an den Motorkühlkreislauf und ihre Erwärmung durch Motorkühlwasser. An alternative solution, which is already implemented in systems on the market, is the connection of components of the pressure reducing device to the engine cooling circuit and their heating by engine cooling water.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druckminderungseinrichtung für eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung eines mit verdichtetem Gas betriebenen Fahrzeugs anzugeben, bei der eine Vereisung von Bauteilen auf möglichst einfache Weise vermieden wird. It is an object of the present invention to provide a pressure reducing device for a device for supplying fuel to a compressed gas-powered vehicle, in which icing of components is avoided in the simplest possible way.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved with the subject matter of the independent claims. Advantageous developments emerge from the dependent claims.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Druckminderungseinrichtung für eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für ein mit verdichtetem Gas betriebenes Fahrzeug angegeben, wobei die Druckminderungseinrichtung zur Reduzierung eines Kraftstoffdruckes von einem Tankdruck auf einen Versorgungsdruck einer Kraftstoffeinblasvorrichtung geeignet ist. Die Druckminderungseinrichtung weist ein Gehäuse auf, wobei ein Bereich einer Außenseite des Gehäuses als Erwärmungsbereich ausgebildet ist.According to one embodiment of the invention, there is provided a pressure reducing device for a fuel supply apparatus for a compressed gas fueled vehicle, the pressure reducing means being adapted to reduce a fuel pressure from a tank pressure to a supply pressure of a fuel injector. The pressure reducing device has a housing, wherein a region of an outer side of the housing is designed as a heating region.
In dem Erwärmungsbereich weist das Gehäuse eine vergrößerte Oberfläche mit Wärmeaustauschstrukturen auf. Die Wärmeaustauschstrukturen stehen im Betrieb in Kontakt mit der umgebenden Luft. In the heating area, the housing has an enlarged surface with heat exchange structures. The heat exchange structures are in contact with the surrounding air during operation.
Bei dieser Druckminderungseinrichtung kann über die vergrößerte Oberfläche im Erwärmungsbereich ausreichend Umgebungswärme in das Gehäusematerial aufgenommen werden, so dass eine Vereisung vermieden wird.With this pressure reduction device, sufficient ambient heat can be absorbed in the housing material via the enlarged surface in the heating region, so that icing is avoided.
Der Erwärmungsbereich ist derart ausgebildet, dass er im eingebauten Zustand der Druckminderungseinrichtung, falls diese im Motorraum eingebaut wird, in direktem Kontakt mit der im Motorraum befindlichen Luft steht. Dadurch nimmt das Gehäuse unmittelbar Wärme aus der vorbeistreichenden Luft auf. The heating area is designed such that it is in direct contact with the air in the engine compartment in the installed state of the pressure reducing device, if it is installed in the engine compartment. As a result, the housing absorbs heat directly from the vorbeistreichenden air.
Die Erwärmung erfolgt dabei passiv durch Aufnahme von Wärme aus der umgebenden Luft über die durch die Wärmeaustauschstrukturen vergrößerte Oberfläche. Das hat den Vorteil, dass auf separate Einbauten wie Heizkreise, Anschlüsse für Motorkühlwasser, Sensoren und Regler verzichtet werden kann. Die Druckminderungseinrichtung ist somit besonders robust, leicht und kostengünstig ausgebildet. The heating takes place passively by absorbing heat from the surrounding air over the surface enlarged by the heat exchange structures. This has the advantage that it is possible to dispense with separate installations such as heating circuits, connections for engine cooling water, sensors and controllers. The pressure reduction device is thus particularly robust, lightweight and inexpensive.
Ferner hat die Druckminderungseinrichtung den Vorteil, dass auch eine unnötig starke Erwärmung des Gehäuses und damit des durch das Gehäuse geleiteten Kraftstoffs vermieden wird. Bei einer Erwärmung mittels Motorkühlwasser findet oftmals eine unnötig starke Erwärmung des Kraftstoffes statt, was eine unerwünschte Reduktion des Gesamtwirkungsgrads zur Folge hat. Die Druckminderungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ermöglicht somit auch eine Effizienzsteigerung, da sie den Kraftstoff bei einer möglichst tiefen Temperatur belässt und so eine höhere Füllung der Brennkammer ermöglicht.Furthermore, the pressure reduction device has the advantage that an unnecessarily strong heating of the housing and thus of the fuel passed through the housing is avoided. When heated by means of engine cooling water often an unnecessarily high heating of the fuel takes place, which has an undesirable reduction in the overall efficiency result. The pressure reducing device according to an embodiment of the invention thus also allows an increase in efficiency, since it leaves the fuel at a lowest possible temperature and thus allows a higher filling of the combustion chamber.
Unter einer vergrößerten Oberfläche wird hier und im Folgenden eine Oberfläche verstanden, die durch die Wärmeaustauschstrukturen vergrößert ist und somit gegenüber einem aktiv gekühlten Gehäuse zusätzliche, ausschließlich dem Zweck des passiven Wärmeaustauschs dienende Bereiche aufweist. Demnach ist die Oberfläche gegenüber der Oberfläche eines Gehäuses vergrößert, das nicht den passiven Wärmeaustausch mittels der Wärmeaustauschstrukturen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist. An enlarged surface is understood here and below to mean a surface which is enlarged by the heat exchange structures and thus has additional areas, which serve exclusively for the purpose of passive heat exchange, compared to an actively cooled housing. Accordingly, the surface is increased from the surface of a housing that does not passively heat exchange by means of Having heat exchange structures according to an embodiment of the invention.
Unter einem mit verdichtetem Gas betriebenen Fahrzeug wird hier und im Folgenden ein Fahrzeug verstanden, in dem als Kraftstoff einer Brennkraftmaschine unter Druck, beispielsweise unter einem Druck von 200 oder 250 bar, in einem Tank vorgehaltenes Gas verwendet wird. A vehicle operated with compressed gas is understood here and below to mean a vehicle in which gas stored in a tank is used as the fuel of an internal combustion engine under pressure, for example under a pressure of 200 or 250 bar.
Die Druckminderungseinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie die Reduzierung des Tankdrucks auf den Versorgungsdruck einer Kraftstoffeinblasvorrichtung ermöglicht. Typischerweise beträgt der Versorgungsdruck von Kraftstoffeinblasvorrichtungen 5 bis 20 bar. Die Reduzierung des Drucks erfolgt durch eine regelbare Expansion, wobei für die Regelung ein Stellglied vorgesehen sein kann. Die Druckminderungseinrichtung kann dabei ein- oder mehrstufig ausgebildet sein d.h., die Expansion kann in einem oder in mehreren Schritten erfolgen. Zumindest an einer Stufe ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung der Erwärmungsbereich vorgesehen. Ist die Druckminderungseinrichtung mehrstufig ausgebildet, so ist ein Erwärmungsbereich typischerweise zumindest an derjenigen Stufe vorgesehen, an der die stärkste Expansion stattfindet, also die größte Kältemenge anfällt. Es können auch an mehreren Stufen bzw. an jeder Stufe Erwärmungsbereiche vorgesehen sein. The pressure reduction device is designed such that it enables the reduction of the tank pressure to the supply pressure of a fuel injection device. Typically, the supply pressure of fuel injectors is 5 to 20 bar. The reduction of the pressure is effected by a controllable expansion, wherein an actuator may be provided for the control. The pressure reduction device can be formed in one or more stages, that is, the expansion can take place in one or more steps. At least at one stage, the heating area is provided according to an embodiment of the invention. If the pressure reduction device has a multi-stage design, then a heating region is typically provided at least at that stage at which the greatest expansion takes place, that is to say the largest amount of refrigerant is obtained. It can also be provided at several stages or at each stage heating areas.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse im Erwärmungsbereich eine Anzahl von Rippen auf, die sich auf einer Außenseite des Gehäuses im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Gehäuses erstrecken. Die Rippen können in Längs- oder Querrichtung des Gehäuses parallel zueinander oder in einer anderen Formation angeordnet sein. In dieser Ausführungsform sind demnach die Wärmeaustauschstrukturen als Rippen ausgebildet. According to an embodiment of the invention, the housing in the heating region has a number of ribs which extend on an outer side of the housing substantially perpendicular to the surface of the housing. The ribs may be arranged in the longitudinal or transverse direction of the housing parallel to each other or in another formation. Accordingly, in this embodiment, the heat exchange structures are formed as ribs.
Die Rippen können unter Berücksichtigung der in ihrer Umgebung auftretenden Luftströmung angeordnet und ausgeformt werden. Dazu können sie auch leicht geneigt und damit abweichend von der Senkrechten zur Oberfläche des Gehäuses positioniert werden. Auch eine derartige Anordnung von Rippen wird hier als "im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Gehäuses" bezeichnet, weil die Abweichung von der Senkrechten nur bis zu etwa 30 Grad beträgt. The ribs can be arranged and shaped taking into account the air flow occurring in their environment. For this purpose, they can also be slightly inclined and thus positioned differently from the perpendicular to the surface of the housing. Also, such an arrangement of ribs is referred to herein as "substantially perpendicular to the surface of the housing" because the deviation from the perpendicular is only up to about 30 degrees.
Wie sich herausgestellt hat, kann das Gehäuse über die Rippen ausreichend Umgebungswärme aus der Umgebung, beispielsweise dem Motorraum, aufnehmen, so dass eine Vereisung von Bauteilen auch bei tiefen Temperaturen von beispielsweise –20 °C verhindert wird. Auch in extremen Situationen, beispielsweise beim Startvorgang bei Volllast bei extrem tiefen Außentemperaturen kann eine passive Erwärmung des Gehäuses über die Rippen ausreichen. Ist die Brennkraftmaschine bereits einige Zeit in Betrieb, so ist die Temperatur im Motorraum deutlich höher als die Außentemperatur. Daher ist auch bei längeren Fahrten die passive Erwärmung ausreichend. As has been found, the housing via the ribs sufficient ambient heat from the environment, such as the engine compartment record, so that icing of components is prevented even at low temperatures, for example, -20 ° C. Even in extreme situations, for example when starting at full load at extremely low outside temperatures, a passive heating of the housing over the ribs may be sufficient. If the internal combustion engine has already been in operation for some time, the temperature in the engine compartment is significantly higher than the outside temperature. Therefore, the passive heating is sufficient even for longer trips.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Rippen aus Metall ausgebildet, insbesondere aus demselben Material wie das übrige Gehäuse. Dies erlaubt aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Metallen einen besonders guten Wärmeaustausch. According to one embodiment of the invention, the ribs are formed of metal, in particular of the same material as the rest of the housing. This allows a particularly good heat exchange due to the good thermal conductivity of metals.
Insbesondere können die Rippen auch einstückig mit dem übrigen Gehäuse bzw. mit Teilen des Gehäuses ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Gehäuse mit den Rippen in einem Gußprozess hergestellt oder die Rippen an das Gehäuse angeschweißt und somit fest mit ihm verbunden sein. Die Rippen können auch in das als massiver Block hergestellte Gehäuse eingefräst sein. Die einstückige Ausbildung hat den Vorteil, dass der Herstellungsprozess für das Gehäuse nur geringfügig modifiziert werden muss. Zudem ist durch die einstückige Ausbildung ein besonders guter Wärmeübergang sichergestellt.In particular, the ribs may also be formed integrally with the rest of the housing or with parts of the housing. For example, the housing may be manufactured with the ribs in a casting process or the ribs welded to the housing and thus firmly connected to it. The ribs can also be milled into the housing made as a solid block. The one-piece design has the advantage that the manufacturing process for the housing has to be modified only slightly. In addition, the one-piece design ensures a particularly good heat transfer.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Rippen lösbar mit dem Gehäuse verbunden, insbesondere angenietet, angeschraubt oder angesteckt. Für eine gut wärmeleitfähige Anbindung an das Gehäuse kann eine Wärmeleitpaste verwendet werden. Das hat den Vorteil, dass die Rippen als optionales Anbauteil konzipiert werden können. In an alternative embodiment, the ribs are detachably connected to the housing, in particular riveted, screwed or infected. For a good heat conductive connection to the housing, a thermal grease can be used. This has the advantage that the ribs can be designed as an optional attachment.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Druckminderungseinrichtung einen innerhalb des Gehäuses angeordneten Expansionsbereich auf, in dem der Kraftstoff expandiert wird, wobei der Erwärmungsbereich an demjenigen Bereich des Gehäuses ausgebildet ist, der den Expansionsbereich umgibt. Dies hat den Vorteil, dass Wärme aus dem Motorraum dort in das Gehäuse aufgenommen wird, wo die größte Kältemenge anfällt.According to one embodiment of the invention, the pressure reducing device has an expansion region disposed inside the housing, in which the fuel is expanded, the heating region being formed at the region of the housing which surrounds the expansion region. This has the advantage that heat is absorbed from the engine compartment there in the housing where the largest amount of cold accumulates.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Druckminderungseinrichtung einen piezoelektrischen Aktor als Stellglied auf. Piezoelektrische Aktoren haben besonders kurze Ansprechzeiten und erlauben somit eine sehr exakte Regelung von Durchflussmengen. In einer alternativen Ausführungsform weist die Druckminderungseinrichtung ein elektromagnetisches Stellglied auf. According to one embodiment of the invention, the pressure reduction device has a piezoelectric actuator as an actuator. Piezoelectric actuators have particularly short response times and thus allow a very exact control of flow rates. In an alternative embodiment, the pressure reduction device has an electromagnetic actuator.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für ein mit verdichtetem Gas betriebenes Fahrzeug angegeben, die einen als Druckbehälter ausgebildeten Tank zur Vorhaltung des verdichteten Gases, die beschriebene Druckminderungseinrichtung zur Reduzierung eines Kraftstoffdruckes von einem Tankdruck auf einen Versorgungsdruck einer Kraftstoffeinblasvorrichtung sowie eine Zufuhrleitung zur Zuführung von Gas von der Druckminderungseinrichtung zu zumindest einer Kraftstoffeinblasvorrichtung einer Brennkraftmaschine aufweist. Eine derartige Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für ein mit verdichtetem Gasbetriebenes Fahrzeug ist vor einem Vereisen von Bauelementen aufgrund der bei der Expansion anfallenden Kälte wirksam geschützt, wobei auf eine aktive Erwärmung von Bauelementen verzichtet werden kann.According to a further aspect of the invention, a fuel supply device for a compressed gas operated vehicle is specified, which forms a pressure vessel designed as a tank for providing the compressed gas, the pressure reducing device described Reduction of a fuel pressure from a tank pressure to a supply pressure of a Kraftstoffeinblasvorrichtung and a supply line for supplying gas from the pressure reducing means to at least one fuel injection device of an internal combustion engine. Such a device for supplying fuel to a compressed gas powered vehicle is effectively protected from icing of components due to the resulting in the expansion of the cold, can be dispensed with an active heating of components.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung ferner eine Heizeinrichtung zur geregelten Erwärmung des Gehäuses im Erwärmungsbereich auf. According to one embodiment, the device for supplying fuel further comprises a heater for controlled heating of the housing in the heating area.
Die Heizeinrichtung kann dabei beispielsweise auch als Anschluss an ein Motorkühlsystem ausgebildet sein. Die Heizeinrichtung ist regelbar und hat die Aufgabe, das Auftreten zu niedriger Temperaturen an Bauelementen des Druckminderers in denjenigen Ausnahmefällen zu verhindern, in denen eine passive Erwärmung nicht ausreichend ist. Bei dieser Ausführungsform findet im Normalbetrieb ausschließlich eine passive Erwärmung im Erwärmungsbereich statt, lediglich in Ausnahmefällen wird diese durch eine aktive Erwärmung mittels der Heizeinrichtung ergänzt. Dies hat den Vorteil, dass im Normalbetrieb eine zu starke Erwärmung, die zu einer Effizienzminderung führen würde, vermieden wird.The heater can be designed, for example, as a connection to an engine cooling system. The heater is adjustable and has the task of preventing the occurrence of low temperatures on components of the pressure reducer in those exceptional cases in which a passive heating is not sufficient. In this embodiment, only a passive heating in the heating area takes place in normal operation, only in exceptional cases, this is supplemented by an active heating by means of the heater. This has the advantage that in normal operation excessive heating, which would lead to an efficiency reduction, is avoided.
In einer Ausführungsform ist als Heizeinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen. Das hat den Vorteil, dass eine besonders einfache und schnelle Regelung möglich ist. Eine derartige Heizeinrichtung kann zusammen mit der Steuerung des Aktors in einem Gehäuse unmittelbar am Gehäuse der Druckminderungseinrichtung angeordnet sein. In one embodiment, an electric heater is provided as a heating device. This has the advantage that a particularly simple and fast control is possible. Such a heater can be arranged together with the control of the actuator in a housing directly on the housing of the pressure reducing device.
In einer Ausführungsform ist in der Nähe des Gehäuses der Druckminderungseinrichtung ein Ventilator zur Erzeugung eines Luftstroms an den Erwärmungsbereich angeordnet. Der Luftstrom erlaubt eine verbesserte Zufuhr von Wärme aus der Umgebung. In one embodiment, a fan for generating an air flow is arranged on the heating area in the vicinity of the housing of the pressure reducing device. The airflow allows for improved supply of heat from the environment.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug mit der beschriebenen Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung angegeben. According to one aspect of the invention, a vehicle is provided with the described device for supplying fuel.
Bei dem Fahrzeug handelt es sich um ein mit verdichtetem Gas betriebenes Fahrzeug, insbesondere um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder einen Bus.The vehicle is a compressed gas powered vehicle, in particular a passenger car, a truck or a bus.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.Embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying figures.
Dazu weist das Fahrzeug
Der Kraftstoff gelangt über eine Kraftstoffeinblasvorrichtung
Die Kraftstoffeinblasvorrichtung
Zur Reduzierung des Drucks wird der Kraftstoff in der Druckminderungseinrichtung
Um dies zu verhindern, weist die Druckminderungseinrichtung
Gegenwärtig existieren verschiedene Technologien, mit denen das Einblasen des Kraftstoffs umgesetzt wird. Beispielsweise kann eine Einspritzung des Kraftstoffs in das in
Die in
In der zweiten Kammer liegt der Druck p2 an. Eine Ablaufdrossel
Im Betrieb verschiebt der piezoelektrische Aktor
Bei der Expansion des Kraftstoffs am Ventil
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Fahrzeug vehicle
- 2 2
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 33
- Zylinder cylinder
- 44
- Kraftstoffeinblasvorrichtung Kraftstoffeinblasvorrichtung
- 55
- Kraftstoffverteilerleiste Fuel rail
- 66
- Tank tank
- 77
- Zuleitung supply
- 88th
- Filter filter
- 99
- Druckminderungseinrichtung Pressure reducing device
- 1010
- Zuleitung supply
- 1111
- Gehäuse casing
- 1212
- Einlass inlet
- 1313
- Auslass outlet
- 1414
- Motorraum engine compartment
- 1515
- piezoelektrischer Aktor piezoelectric actuator
- 1616
- Ventil Valve
- 1717
- Öffnung opening
- 1818
- erste Kammer first chamber
- 1919
- Kolben piston
- 2020
- Feder feather
- 2121
- Zylinder cylinder
- 2222
- zweite Kammer second chamber
- 2323
- Ablaufdrossel outlet throttle
- 2424
- Rippen ribs
- 2525
- Außenseite outside
- 2626
- Erwärmungsbereich heating area
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102008034581 A1 [0005] DE 102008034581 A1 [0005]
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