-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Proportionalregelventil zum Steuern eines gasförmigen Brennstoffs in einem Brennstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine, eine Druckregeleinheit in einem Brennstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine, sowie ein Brennstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Brennstoff, nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
-
Vom Markt her bekannt sind Brennkraftmaschinen, deren Brennstoff gasförmiger Wasserstoff ist. Derartige Brennkraftmaschinen können beispielsweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet werden. Der Wasserstoff kann beispielsweise unter relativ hohem Druck, beispielsweise 700 bar, in flüssiger Form in einem tankartigen Brennstoffspeicher gespeichert sein. Von dort gelangt er über eine Hochdruck-Druckregeleinrichtung zu einer Niederdruck-Druckregeleinheit und weiter zu einer Brennstoffverteileinrichtung, die funktional ähnlich ist wie das Kraftstoffrail bei einer Brennkraftmaschine mit Benzin- oder Diesel-Direkteinspritzung. Die Hochdruck-Druckregeleinrichtung regelt den Gasdruck typischerweise herunter auf beispielsweise ungefähr 40 bar, die Niederdruck-Druckregeleinheit regelt den Gasdruck weiter herunter typischerweise auf einen Druck von ungefähr 15 bar. An die Brennstoffverteileinrichtung sind üblicherweise mehrere Injektoren angeschlossen, die den gasförmigen Brennstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine (H2-Direkteinspritzung) oder in eine Vorkammer einblasen (Port Fuel Injection).
-
Die
DE 10 2017 210 367 A1 offenbart ein Proportionalregelventil, wie es in der oben beschriebenen oder als die oben beschriebene Niederdruck-Druckregeleinheit eingesetzt werden kann. Es umfasst ein Ventilelement und einen Ventilsitz, der eine Durchlassöffnung für das gasförmige Medium begrenzt. Der Ventilsitz ist an einem elastischen Dichtelement ausgebildet.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Proportionalregelventil, eine Druckregeleinheit und ein Brennstoffversorgungssystem mit den Merkmalen des jeweiligen nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen genannt.
-
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das erfindungsgemäße Proportionalregelventil sehr robust bei hohen Drücken ist. Ferner ist es unempfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen, insbesondere solchen, welche die Lagerung eines Magnetankers eines elektromagnetischen Aktors des Proportionalregelventil betreffen. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Proportionalregelventil unempfindlich gegenüber Veränderungen am Ventilsitz, die beispielsweise über die Betriebszeit des Proportionalregelventil durch Verschleiß auftreten können.
-
Konkret wird dies erreicht durch ein Proportionalregelventil zum Steuern eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, in einem Brennstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine. Der gasförmige Wasserstoff kann beispielsweise zur innermotorischen Verbrennung verwendet werden. Bei der Brennkraftmaschine kann es sich um eine im Wesentlichen typische Kolben-Brennkraftmaschine handeln, wie sie beispielsweise bei Kraftfahrzeugen oder stationären Anwendungen, beispielsweise zum Antrieb von Generatoren, eingesetzt wird.
-
Bei einem solchen Brennstoffversorgungssystem kann der Wasserstoff beispielsweise unter relativ hohem Druck, beispielsweise 700 bar, in flüssiger Form in einem tankartigen Brennstoffspeicher gespeichert sein. Von dort kann er über eine Hochdruck-Druckregeleinrichtung zu einer Niederdruck-Druckregeleinheit und weiter zu einer Brennstoffverteileinrichtung gelangen, die funktional ähnlich ist wie das Kraftstoffrail bei einer Brennkraftmaschine mit Benzin- oder Diesel-Direkteinspritzung. Die Hochdruck-Druckregeleinrichtung regelt den Gasdruck typischerweise herunter auf beispielsweise ungefähr 40 bar, die Niederdruck-Druckregeleinheit regelt den Gasdruck weiter herunter typischerweise auf einen Druck von ungefähr 15 bar. An die Brennstoffverteileinrichtung können beispielsweise mehrere Injektoren angeschlossen sein, die den Brennstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine (H2-Direkteinspritzung) oder in eine Vorkammer einblasen (Port Fuel Injection).
-
Die gerade erwähnte Niederdruck-Druckregeleinheit (auch „HIPR“ bzw. „Hydrogen Injection Pressure Regulator“ genannt) regelt entsprechend den spezifischen Anforderungen den Druck und somit den Massen- oder Volumenstrom in der Brennstoffverteileinrichtung bzw. zu der Brennstoffverteileinrichtung. Hierzu kann die HIPR mindestens ein Proportionalregelventil umfassen oder aus einem solchen bestehen. Zu der Niederdruck-Druckregeleinheit kann noch ein Drucksensor und/oder ein Sicherheitsventil gehören. Bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine ist das Sicherheitsventil geschlossen, und das Sicherheitsventil öffnet, wenn die Brennkraftmaschine gestartet werden soll.
-
Als Proportionalregelventil wird erfindungsgemäß ein solches vorgeschlagen, welches ein Ventilelement und einen typischerweise metallischen Ventilsitz umfasst und welches insoweit als Sitzventil ausgebildet ist. Der Ventilsitz ist typischerweise ringförmig ausgebildet, und er begrenzt eine Durchlassöffnung für das gasförmige Medium, also beispielsweise den Wasserstoff. Durch eine Beeinflussung des Abstands bzw. des Spalts zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz kann der Durchfluss des gasförmigen Mediums durch die Durchlassöffnung beeinflusst werden, und hierdurch kann der Druck beispielsweise in der Brennstoffverteileinrichtung in einer gewünschten Weise beeinflusst werden.
-
Erfindungsgemäß weist das Ventilelement des Proportionalregelventils an seinem dem Ventilsitz zugewandten Ende einen Dichtabschnitt aus einem Elastomermaterial auf. Hierzu kann der Dichtabschnitt beispielsweise an einem metallischen Dichtungsträger des Ventilelements durch Vulkanisieren befestigt sein. Der Ventilsitz umfasst einen sich in Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums verjüngenden Abschnitt der Durchlassöffnung. Die Öffnungsweite dieses Abschnitts der Durchlassöffnung nimmt also in Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums gesehen ab. Typischerweise ist zumindest der sich verjüngende Abschnitt der Durchlassöffnung aus einem Metallmaterial hergestellt.
-
Der Dichtabschnitt des Ventilelements ist relativ zu dem sich verjüngenden Abschnitt der Durchlassöffnung so dimensioniert, dass er bei geschlossenem Proportionalregelventil eine Innenwand des sich verjüngenden Abschnitts der Durchlassöffnung kontaktiert. Der Dichtabschnitt des Ventilelements taucht also bei geschlossenem Proportionalregelventil zumindest in gewissem, typischerweise sehr geringem Umfang in den sich verjüngenden Abschnitt der Durchlassöffnung ein bzw. wird in den sich verjüngenden Abschnitt der Durchlassöffnung hineingedrückt.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Dichtabschnitt bei geschlossenem Proportionalregelventil die Innenwand des sich verjüngenden Abschnitts der Durchlassöffnung wenigstens im Wesentlichen linienhaft kontaktiert. Dies kann durch eine entsprechende geometrische Ausgestaltung des sich verjüngenden Abschnitts der Durchlassöffnung und/oder des Dichtabschnitts erreicht werden. Auf diese Weise wird dann, wenn der Dichtabschnitt vom Ventilsitz abgehoben ist, ein definierter Ringspalt geschaffen, was die Regelcharakteristik des Proportionalregelventils positiv beeinflusst.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass sich der sich verjüngende Abschnitt der Durchlassöffnung konisch und somit geradlinig verjüngt. Dies ist fertigungstechnisch einfach und daher preiswert.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Dichtabschnitt eine Kegelstumpfform aufweist. Dies ist fertigungstechnisch einfach und daher preiswert.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Konuswinkel des Dichtabschnitts kleiner ist als ein Konuswinkel des sich verjüngenden Abschnitts der Durchlassöffnung. Auf diese Weise wird auf einfache Art der oben beschriebene vorteilhafte linienhafte Kontakt mit einem definierten Dichtkreisdurchmesser und Spalt erreicht.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Dichtabschnitt zylindrisch ausgebildet ist. Dies ist fertigungstechnisch einfach und daher preiswert.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein dem Ventilsitz zugewandter Umfangsrand des Dichtabschnitts abgerundet ist. Dies ist im Hinblick auf den Verschleiß günstig.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Dichtabschnitt zum Ventilsitz hin ballig ausgebildet ist, vorzugsweise halbkugelförmig ausgebildet ist. Hierdurch werden Fertigungstoleranzen besonders gut ausgeglichen.
-
Zu der Erfindung gehört auch eine Druckregeleinheit in einem Brennstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine zur Druckregelung eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff. Sie weist mindestens ein Proportionalregelventil der obigen Art sowie eine weitere Komponente auf. Beispielsweise kann sie zwei hydraulisch parallele Proportionalregelventile der obigen Art aufweisen, und/oder sie kann zusätzlich ein Sicherheitsventil und/oder einen Drucksensor umfassen.
-
Zu der Erfindung gehört auch ein Brennstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, umfassend einen Brennstoffspeicher, mindestens ein Proportionalregelventil, eine stromabwärts von dem Proportionalregelventil angeordnete Brennstoffverteileinrichtung und mindestens einen an die Brennstoffverteileinrichtung angeschlossenen Injektor. Das Proportionalregelventil ist erfindungsgemäß entsprechend der obigen Art ausgebildet.
-
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffversorgungssystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Brennstoff mit einer Druckregeleinheit;
- 2 eine perspektivische Darstellung der Druckregeleinheit von 1 mit zwei hydraulisch parallelen Proportionalregelventilen;
- 3 eine perspektivische Darstellung einer alternativen Druckregeleinheit von 1 mit einem Proportionalregelventil;
- 4 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Proportionalregelventils der 2 oder 3;
- 5 einen vergrößerten Ausschnitt des Proportionalregelventils von 4;
- 6 eine Darstellung ähnlich zu 5 einer zweiten Ausführungsform eines Proportionalregelventils; und
- 7 eine Darstellung ähnlich zu 5 einer dritten Ausführungsform eines Proportionalregelventils.
-
Nachfolgend tragen funktionsäquivalente Elemente und Bereiche in unterschiedlichen Figuren und in unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen. Sie werden im Normalfall nur bei der ersten Erwähnung im Detail beschrieben. Darüber hinaus sind aus Gründen der Vereinfachung nicht in allen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingetragen.
-
Ein Brennstoffversorgungssystem trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es dient zur Versorgung einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Brennstoff, vorliegend beispielsweise gasförmigem Wasserstoff.
-
Der Wasserstoff ist in flüssiger Form unter hohem Druck, beispielsweise ungefähr 700 bar, in einem tankartigen Brennstoffspeicher 12 gespeichert. Dieser kann über einen Füllanschluss 14 befüllt werden. Am Brennstoffspeicher 12 ist ferner eine integrierte Einheit 16 aus einem Tankventil zur Befüllung und Abgabe von Wasserstoff in bzw. aus dem Brennstoffspeicher 12 und einem Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des aus dem Brennstoffspeicher 12 kommenden gasförmigen Wasserstoffs angeordnet.
-
Der gasförmige Wasserstoff gelangt über eine Druckleitung 18 zunächst zu einem Filter 20 und von dort weiter zu einer Hochdruck-Druckregeleinrichtung 22. Diese reduziert den Druck des gasförmigen Wasserstoffs beispielsweise auf einen Druck im Bereich von 40 bar. Die Druckleitung 18 führt von der Hochdruck-Druckregeleinrichtung 22 weiter zu einem Drucksensor 24, einen weiteren Filter 26 und eine optionale Temperiereinrichtung 28 schließlich zu einer Niederdruck-Druckregeleinheit 30.
-
Die Niederdruck-Druckregeleinheit 30 umfasst vorliegend beispielhaft zwei hydraulisch parallele Druckregelventile 32, einen Niederdruck-Drucksensor 34 und ein Sicherheitsventil in Form einer Absperrventileinrichtung 36. Die beiden Druckregelventile 32 sind identisch aufgebaut und sind vorliegend Proportionalregelventile. Durch die Niederdruck-Druckregeleinheit 30 wird der Druck in der Druckleitung 18 nochmals abgesenkt von dem eingangsseitigen vorliegend beispielhaften Druck von ungefähr 40 bar auf einen Druck beispielsweise von ungefähr 15 bar.
-
Stromabwärts von der Niederdruck-Druckregeleinheit 30 führt die Druckleitung 18 zu einer Brennstoffverteileinrichtung 38, die beispielsweise als längliches Rohr ausgebildet sein kann in der Art eines typischen Kraftstoffrails, wie es von Benzin- und Diesel-Kraftstoffsystemen bekannt ist. Der in der Brennstoffverteileinrichtung 38 herrschende Gasdruck wird von einem Drucksensor 40 erfasst.
-
An die Brennstoffverteileinrichtung 38 sind mehrere Injektoren 42 angeschlossen, die den gasförmigen Wasserstoff vorliegend beispielhaft in Brennräume 44 der Brennkraftmaschine direkt einblasen. Der gasförmige Wasserstoff wird in den Brennräumen 44 mit Luftsauerstoff gemischt, und dieses Gemisch wird durch eine jeweilige Zündeinrichtung 46 entzündet. Typischerweise handelt es sich bei der Brennkraftmaschine um eine 2-Takt- oder 4-Takt-Kolben-Brennkraftmaschine von einer weitgehend üblichen Bauart. Beispielsweise wird eine solche Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs eingesetzt. Sie kann aber auch beispielsweise stationär zum Antrieb eines Generators zur Stromerzeugung verwendet werden.
-
Gesteuert werden das Brennstoffversorgungssystem 10 und seine Komponenten durch eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung 48, die über einen oder mehrere entsprechende Mikroprozessoren, einen Speicher für Programmcode, etc., verfügt. Diese erhält Signale unter anderem vom Temperatursensor 16, dem Drucksensor 24, dem Drucksensor 40, etc. Die Steuer- und Regeleinrichtung 48 steuert verschiedene Komponenten des Brennstoffversorgungssystems 10 an, unter anderem die Niederdruck-Druckregeleinrichtung 30, dass Sicherheitsventil 36 sowie die Zündeinrichtungen 46. Ferner wird auch eine Steuereinrichtung 50 von der Steuer- und Regeleinrichtung 48 angesteuert, die wiederum spezifisch den Betrieb des Brennstoffspeichers 12 steuert bzw. regelt.
-
In 2 ist die Niederdruck-Druckregeleinheit 30 stärker im Detail gezeichnet. Sie umfasst einen Gehäuseblock 51 mit einem einlassseitigen Anschluss 52 und einem auslassseitigen Anschluss 53. Der auslassseitige Anschluss 53 führt zur Brennstoffverteileinrichtung 38. Man erkennt, dass die Niederdruck-Druckregeleinheit 30 eine integrierte Baueinheit bildet. Diese wird auch als HIPR (Hydrogen Injection Pressure Regulator) bezeichnet. Alternativ zu der Ausführung von 2, bei der die Niederdruck-Druckregeleinheit 30 zwei hydraulisch parallel geschaltete Proportionalregelventile 32 umfasst, kann gemäß 3 die Niederdruck-Druckregeleinheit 30 auch nur ein einziges Proportionalregelventil 32 umfassen.
-
Nun wird unter Bezugnahme auf die 4 und 5 eine erste Ausführungsform eines Proportionalregelventils 32 stärker im Detail erläutert. Das Proportionalregelventil 32 umfasst ein Ventilgehäuse 54. Dieses enthält in seinem in 4 oberen Bereich einen elektromagnetischen Aktor 56 mit einer Magnetspule 58. In dem Ventilgehäuse 54 ist ein Ventilelement 60 geführt, welches vorliegend eine längliche zylindrische Gestalt mit Abschnitten mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist. Ein Abschnitt mit relativ großem Durchmesser bildet einen Magnetanker 62. Zwischen dem Ventilelement 60 und dem Ventilgehäuse 54 ist eine Ventilfeder 64 verspannt, die das Ventilelement 60 in den Figuren nach unten beaufschlagt.
-
Das Ventilgehäuse 54 weist einen seitlichen Fluideinlass 66 auf. An seinem in den Figuren unteren Bereich ist es mit einem metallischen Ventilsitzkörper 68 verbunden, in dem eine zum Ventilgehäuse 54 und zum Ventilelement 60 koaxiale Durchlassöffnung 70 vorhanden ist. Diese gehört zu einem Fluidauslass 72. Die Durchlassöffnung 70 weist in ihrem in den Figuren oberen und dem Ventilelement 60 zugewandten Bereich einen sich von oben nach unten und in einer Strömungsrichtung (Pfeil 73) des gasförmigen Mediums bzw. Brennstoffs, also des Wasserstoffs, konisch verjüngenden Abschnitt 74 auf, der, wie hiernach noch ausgeführt werden wird, einen Ventilsitz für das Ventilelement 60 bildet.
-
Das Ventilelement 60 weist an seinem dem sich verjüngenden Abschnitt bzw. Ventilsitz 74 zugewandten Ende einen Dichtabschnitt 76 aus einem Elastomermaterial auf, der vorliegend beispielhaft Kegelstumpfform aufweist. Ein Konuswinkel 78 (5) des Dichtabschnitts 76 ist dabei kleiner als ein Konuswinkel 80 des sich verjüngenden Abschnitts 74 der Durchlassöffnung 70. Der Dichtabschnitt 76 ist durch Vulkanisieren an einem metallischen Dichtungsträger 82 des Ventilelements 60 befestigt. Man erkennt insbesondere aus 5, dass in der dort gezeigten geschlossenen Stellung des Proportionalregelventils 32 aufgrund der unterschiedlichen Konuswinkel 78 und 80 ein in den Figuren unterer umlaufender Umfangsrand 84 des Dichtabschnitts 76 eine Innenwand 86 des sich verjüngenden Abschnitts 74 der Durchlassöffnung 70 linienhaft kontaktiert.
-
Das Proportionalregelventil 32 arbeitet folgendermaßen: ist die Magnetspule 58 nicht bestromt, wird das Ventilelement 60 mit dem Umfangsrand 84 des Dichtabschnitts 76 durch die Ventilfeder 64 gegen die Innenwand 86 des sich verjüngenden Abschnitts 74 der Durchlassöffnung 70 gedrückt. Hierbei taucht der Dichtabschnitt 76 etwas in den Abschnitt 74 der Durchlassöffnung 70 ein. Wird die Magnetspule 58 bestromt, wird das Ventilelement 60 gegen die Kraft der Ventilfeder 64 in den Figuren nach oben bewegt, wodurch der Umfangsand 84 des Dichtabschnitts 76 von der Innenwand 86 des sich verjüngenden Abschnitts 74 der Durchlassöffnung 70 abhebt. Hierdurch entsteht ein Ringspalt zwischen dem Umfangsrand 84 und der Innenwand 86, durch den gasförmiges Medium bzw. Wasserstoff entsprechend der Strömungsrichtung 73 vom Fluideinlass 66 zum Fluidauslass 72 strömen kann. Über die Stärke der Bestromung der Magnetspule 58 kann die Größe des Ringspaltes und somit die Menge des strömenden Mediums und damit letztlich der Druck in der Brennstoffverteileinrichtung 38 beeinflusst werden.
-
Die alternative Ausführungsform des Proportionalregelventil 32 von 6 unterscheidet sich von jener der 4 und 5 durch die Form des Dichtabschnitts 76. Dieser ist in 6 nicht kegelstumpfförmig, sondern zylindrisch mit einem dem Ventilsitz 74 zugewandten abgerundeten Umfangsrand 84.
-
Auch die alternative Ausführungsform des Proportionalregelventil 32 von 7 unterscheidet sich von jener der 4 und 5 durch die Form des Dichtabschnitts 76. Dieser ist in 7 zum Ventilsitz 74 hin ballig ausgebildet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102017210367 A1 [0003]