WO2019105827A1

WO2019105827A1 - Gasdruckregler zur regelung des drucks eines gasförmigen kraftstoffs, system zur versorgung einer brennkraftmaschine mit gasförmigem kraftstoff unter verwendung eines solchen gasdruckreglers und verfahren zum betreiben dieses systems

Info

Publication number: WO2019105827A1
Application number: PCT/EP2018/082082
Authority: WO
Inventors: Alexander Scheel; Dirk Vahle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2019-06-06
Anticipated expiration: 2020-05-28
Also published as: CN111417775B; DE102017221329A1; CN111417775A

Abstract

Gasdruckregler (1) zur Regelung des Drucks eines gasförmigen Kraftstoffs, mit einem Gehäuse (2), in dem ein längsbeweglicher Gaskolben (3) angeordnet ist, der einen Gasraum (5) und einen mit einer Arbeitsflüssigkeit befüllbaren Druckraum (7) begrenzt, wobei der Gaskolben (3) eine an seiner Außenseite umlaufende erste Dichtung (24) aufweist, mit der der Gaskolben (3) dichtend im Gehäuse (2) geführt ist und die den Gasraum (5) abdichtet. Durch das Zusammenwirken des Gaskolbens (3) mit einem Ventilsitz (21) wird ein Steuerventil (20) gebildet, über das Gas aus dem Gasraum (5) abgeleitet werden kann. An der Außenseite des Gaskolbens (3) eine zweite umlaufende Dichtung (25) ausgebildet ist, mit der der Gaskolben (3) ebenfalls dichtend im Gehäuse (2) geführt ist, wobei der Gaskolben (3) zumindest abschnittsweise von einem Niederdruckgasraum (9) umgeben ist und die zweite Dichtung (25) den Niederdruckgasraum (9) von einem Gasrücklaufraum (10) trennt, wobei der Gasraum (5) über das Absteuerventil (20) mit dem Gasrücklaufraum (10) verbindbar ist. Ein System zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigen Kraftstoff weist einen Zwischentank (200) und einen solchen Gasdruckregler (1) auf. In einem Verfahren zum Betreiben dieses Systems ist darüber hinaus ein Rücklaufspeicher (300) vorhanden, dessen Druck zwischen dem Druck im Gasraum (5) und im Gastank (100) eingestellt wird

Description

Beschreibung

Titel

Gasdruckregler zur Regelung des Drucks eines gasförmigen Kraftstoffs, System zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Kraftstoff unter Ver wendung eines solchen Gasdruckreglers und Verfahren zum Betreiben dieses Systems

Die Erfindung betrifft einen Gasdruckregler zur Regelung des Drucks eines gas förmigen Kraftstoffs, wie er Verwendung findet, um gasförmigen Kraftstoff unter einem vorgegebenen Druck einer Brennkraftmaschine zuzuführen. Darüber hin aus betrifft die Vorrichtung ein System zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Kraftstoff unter Verwendung eines solchen Gasdruckreglers und ein Verfahren zum Betreiben dieses Systems.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist ein Gasdruckregler zur Zuführung von gasförmi gem Kraftstoff unter einem gewissen Druck zu einer Brennkraftmaschine bei spielsweise aus der DE 10 2016 207 743 Al bekannt. Ein solches System weist einen Gastank auf, dem mittels einer Gaspumpe gasförmiger Kraftstoff entnom men wird. Die Gaspumpe verdichtet das Gas und führt es einem Zwischentank zu. Aus dem Zwischentank wird ein weiterer Gasspeicher, ein sogenanntes Gas- rail, gespeist, in dem der gasförmige Kraftstoff unter einem vorgegebenen Druck vorgehalten wird, um schließlich über einen oder mehrere Injektoren in eine Brennkraftmaschine eingebracht zu werden. Zwischen dem Zwischentank und dem Gasrail ist ein Gasdruckregler zwischengeschaltet, der so ausgelegt ist, dass stets ein vorgegebener Gasdruck im Gasrail aufrecht erhalten wird. Dazu weist die Gasdruckregler miteinander verschaltete Regelventile auf, die dafür sorgen, dass bei zu hohem Druck Gas aus dem Gasrail in den Gastank zurück geführt wird und bei zu niedrigem Druck Gas aus dem Zwischentank in das Gas rail nachgefüllt wird.

Zur Realisierung dieser Schaltung ist innerhalb des Gasdruckreglers ein Ventil vorgesehen, das mehrere Funktionen erfüllt. Das Ventil weist einen beweglichen Kolben auf, der längsbewegbar innerhalb des Gehäuses des Gasdruckreglers angeordnet ist und das mit einer Stirnseite einen mit wechselndem Druck befüll- baren Druckraum begrenzt. In den Druckraum kann ein flüssiges Arbeitsmedium eingeleitet werden, so dass durch das flüssige Arbeitsmedium, beispielsweise ei nen flüssigen Kraftstoff, eine Kraft in Längsrichtung auf den Ventilkolben ausge übt werden kann. Als Gegenkraft zu dem hydraulischen Druck des flüssigen Ar beitsmediums im Druckraum wirkt auf den Ventilkolben der Druck in einem Gas raum, den der Ventilkolben mit seiner gegenüberliegenden Stirnseite begrenzt. Darüber hinaus wirkt auf den Ventilkolben die Kraft einer Schließfeder, die gleich gerichtet zur pneumatische Kraft ist.

Ist der hydraulische Druck im Druckraum höher als die pneumatische Kraft durch den Gasdruck und die Kraft der Schließfeder, so bewegt sich der Kolben vom Druckraum weg und öffnet dabei ein Einlassventil, durch das gasförmiger Kraft stoff aus dem Zwischentank in das Gasrail strömt und den Gasdruck dort erhöht, ebenso wie im gasgefüllten Raum innerhalb des Gasdruckreglers. Ist hingegen die durch den pneumatischen Druck auf den Ventilkolben wirkende Kraft zusam men mit der Kraft der Schließfeder größer als der hydraulische Druck im Druck raum, so bewegt sich der Ventilkolben in entgegengesetzter Richtung und ver schließt das Einlassventil erneut. Bewegt sich der Ventilkolben weiter, so wird zu sätzlich eine Öffnung aufgesteuert, durch die gasförmiger Kraftstoff aus dem mit Gas gefüllten Gasraum innerhalb des Gasdruckreglers in den Tank abgesteuert wird, so dass der Druck im Gasraum und damit im Gasrail sinkt. Auf diese Weise kann eine rein mechanische Druckeinstellung innerhalb des Gasraums erreicht werden, wobei der Referenzdruck der Druck des Arbeitsmediums ist. Über die Größe der Stirnflächen des Ventilkolbens und über die Stärke der Feder kann die Druckdifferenz eingestellt werden, die zwischen dem pneumatischen und dem hydraulischen Druck herrschen soll. Insbesondere ist dadurch ein Betrieb des Systems möglich, bei dem der Gasdruck stets etwas niedriger als der hydrauli sche Druck ist, um unerwünschte Leckagen innerhalb des Gasdruckreglers und auch in anderen Teilen des Gasversorgungssystems zu vermeiden.

Der gasförmige Kraftstoff wird im Gastank mit einem niedrigen Druck zur Verfü gung gestellt und muss durch die Gaspumpe auf den notwenigen Druck verdich tet werden, der oberhalb des Drucks liegt, der im Gasrail benötigt wird. Je nach System beträgt dieser Gasdruck einige 100 bar (10 MPa), so dass eine nicht un erhebliche Energie zur Verdichtung aufgewandt wird. Muss der Druck im Gasrail abgesenkt werden, so wird Gas unverbraucht zurück in den Gastank geleitet und wird dabei entspannt, so dass die für die Verdichtung aufgewandte Energie verlo ren ist. Darüber hinaus bedeutet das zurückgeleitete Gas einen Energieeintrag in den Gastank. Insbesondere, wenn im Gastank gasförmiger Kraftstoff kryogen ge speichert ist, ist ein zusätzlicher Wärmeeintrag in den Gastank stets uner wünscht, da er zum Druckanstieg im Gastank führt, der durch anderweitige Vor richtungen begrenzt werden muss. Dies macht das System ineffizient und be dingt einen zusätzlichen Kraftstoffverbrauch.

Da die Absteuerung des überschüssigen gasförmigen Kraftstoffs in den Gastank des Systems erfolgt, herrscht im Rücklauf für den gasförmigen Kraftstoff nur sehr niedriger Druck, der meist nur einige bar beträgt und auch in Teilbereichen des Gasdruckreglers anliegt. Demgegenüber beträgt der Druck des hydraulischen Ar beitsmediums, beispielsweise eines flüssigen Kraftstoffs, einige 100 bar und liegt in der gleichen Größenordnung wie der Druck des gasförmigen Kraftstoffs, wie er im Gasrail zur Verfügung gestellt wird. Innerhalb des Gasdruckreglers sind des halb Medien mit sehr unterschiedlichen Drücken gegeneinander abzudichten, also eine sichere Abdichtung zwischen dem gasförmigen Kraftstoff des Rücklaufs einerseits und dem hydraulischen Arbeitsmedium andererseits zu erreichen.

Hohe Druckdifferenzen von einigen 100 bar gegeneinander abzudichten ist tech nisch sehr aufwendig und ein solcher Gasdruckregler wäre entsprechend teuer und würde die Effizienz des gesamten Systems vermindern. Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gasdruckregler weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine effektive Abdichtung des hydraulischen Arbeitsmediums gegenüber dem gasförmigen Kraftstoff innerhalb des Gasdruckreglers mit geringem Auf wand möglich ist, so dass dieser einfach und mit geringem Aufwand hergestellt werden kann und aufwändige Abdichtungsmaßnahmen unterbleiben können. Dazu weist der Gasdruckregler ein Gehäuse auf, in dem ein längsbeweglicher Gaskolben angeordnet ist, der mit einer ersten Stirnseite einen Gasraum be grenzt und mit seiner gegenüberliegenden, zweiten Stirnseite einen mit einer Ar beitsflüssigkeit befüllbaren Druckraum, wobei der Gaskolben zwischen den bei den Stirnflächen eine an seiner Außenseite umlaufende erste Dichtung aufweist, mit der der Gaskolben dichtend im Gehäuse geführt ist und die den Gasraum ab dichtet. Weiter ist ein Absteuerventil vorgesehen, dass durch das Zusammenwir ken des Gaskolbens mit einem Ventilsitz gebildet ist und über das Gas aus dem Gasraum abgeleitet werden kann. An der Außenseite des Gaskolbens ist eine zweite, umlaufende Dichtung ausgebildet, die einen den Gaskolben zumindest teilweise umgebenden Niederdruckgasraum begrenzt und den Niederdruckgas raum von einem Gasrücklaufraum trennt, wobei der Gasraum über das Absteuer ventil mit dem Gasrücklaufraum verbindbar ist.

Durch das Vorsehen der zweiten umlaufenden Dichtung können innerhalb des Gasdruckreglers drei gasgefüllte Räume mit verschiedenen Drücken realisiert werden: Neben dem Gasraum, aus dem das Gasrail gespeist wird, ein Gasrück laufraum, in dem ein Gasdruck herrscht, der unterhalb des Gasdrucks im Gasrail liegt, jedoch oberhalb des Drucks im Gastank. Schließlich ein Niederdruckgas raum, der durch die zweite Dichtung vom Gasrücklaufraum getrennt ist und in dem der gleiche, niedrige Druck wie im Gastank herrscht. Dieser Niederdruck gasraum kann in einfacher Weise gegen einen ebenfalls auf niedrigem Druck be findlichen hydraulischen Flüssigkeitsniederdruckraum abgedichtet werden, der die Leckage aus dem hydraulischen Druckraum aufnimmt. Da auf beiden Seiten der Dichtung nur ein niedriger und damit praktisch gleicher Druck herrscht, kann eine zuverlässige Abdichtung in einfacher Weise realisiert werden und damit eine absolute Trennung von gasförmigem Kraftstoff einerseits und hydraulischem Ar beitsmedium anderseits, ohne dass es zu einem nennenswerten Rückfluss von gasförmigem Kraftstoff in den Tank kommt, was dort zu den oben bereits be schriebenen ungünstigen Wirkungen führen würde.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilsitz an ei nem Steuerkolben ausgebildet, der durch die Längsbewegung des Gaskolbens bewegbar ist und dadurch zumindest mittelbar einen Gashochdruckzulauf in den Gasraum öffnen kann. Durch die Verwendung eines Steuerkolbens zum Öffnen des Gashochdruckzulaufs muss diese Funktionalität nicht vom Gaskolben reali siert werden, was eine zweckmäßige Ausgestaltung beider Bauteile erlaubt und damit eine zuverlässige Funktion.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Steuerkolben in seiner ersten, dem Gaskolben zugewandten Endstellung einen axialen Abstand zu ei nem Einlassventilkolben auf, der die Öffnung des Gasraums zu dem Gashoch druckzulauf durch seine Längsbewegung öffnet und schließt. Da der Steuerkol ben nicht direkt auf dem Einlassventilkolben aufliegt, ergibt sich eine Verzöge rung zwischen der Bewegung des Steuerkolbens und der des Einlassventilkol bens, so dass das Absteuerventil geschlossen werden kann, ohne dass unmittel bar der Gashochdruckzulauf geöffnet wird. Auf diese Weise lässt sich eine stabile Stellung des Steuerkolbens anfahren, bei der sowohl der Gaszulauf als auch der Gasablauf geschlossen sind, beispielsweise wenn momentan kein Gas innerhalb des Systems verbraucht wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Einlassventilkolben durch eine Einlassventilfeder in Richtung des Gaskolbens axial vorgespannt, so dass er stets in seine Schließstellung zurückkehrt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Außendurchmesser der ers ten Dichtung vom Außendurchmesser der zweiten Dichtung verschieden. Durch die unterschiedlichen Durchmesser der Dichtungen kann eine zusätzliche Kraft auf den Steuerkolben in seiner Längsrichtung ausgeübt werden, da die hydrau lisch bzw. pneumatisch wirksame Fläche verschieden ist. Je nachdem, welche der beiden Dichtungen größer ist, lässt sich so eine zusätzliche Schließkraft oder eine zusätzliche Öffnungskraft auf den Gaskolben ausüben, so dass sich entwe- der die Öffnungsgeschwindigkeit oder die Schließgeschwindigkeit des Gaskol bens erhöht und die Dynamik des Gaskolbens in günstiger Weise beeinflusst werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Gaskolben durch eine Gas kolbenfeder in Richtung des Druckraums axial vorgespannt. Ist die hydraulisch wirksame Fläche bzw. die pneumatisch wirksame Fläche des Gaskolbens gleich, so kann über die Stärke der Gaskolbenfeder die Druckdifferenz zwischen dem hydraulischen Arbeitsraum und dem Gasraum eingestellt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Gaskolben angrenzend an den mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllten Druckraum mit einem Führungsabschnitt im Gehäuse geführt, wobei der Führungsabschnitt auf der dem Druckraum abge wandten Seite einen Flüssigkeitsniederdruckraum begrenzt, der den Gaskolben umgibt. Dieser Flüssigkeitsniederdruckraum nimmt die unvermeidbare Leckage aus dem Druckraum auf, wird dabei jedoch auf niedrigem Druck gehalten, so dass dieser Flüssigkeitsniederdruckraum leicht gegen den Niederdruckgasraum abdichtbar ist. Dies geschieht in vorteilhafter Weise durch einen Faltenbalg, der des Gaskolben umgibt und der den Niederdruckgasraum vom Flüssigkeitsnieder druckraum trennt. Dabei ist der Faltenbalg in vorteilhafterweise an einem Ende mit dem Gaskolben mediendicht verbunden.

Weiter ist Gegenstand der Erfindung ein System zur Versorgung einer Brenn kraftmaschine mit gasförmigem Kraftstoff, wobei das System einen Gastank auf weist, der über eine Gaspumpe mit einem Zwischentank verbunden ist. Der Zwi schentank ist zur Versorgung eines Gasrails mit gasförmigem Kraftstoff unter ei nem vorgebbaren Arbeitsdruck verbunden, wobei der Gasdruckregler gemäß dem Anspruch 1 ausgebildet ist und hier die oben genannten Vorteile entfalten kann.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Systems ist der Gasdruckregler mit einem Rücklaufspeicher verbunden, so dass in diesem Rücklaufspeicher ein Gasdruck vorgehalten werden kann, der zwischen dem Druck des Gastanks und dem Druck im Gasrail liegt. Weiterhin ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass ein Hochdruckspeicher für das flüssige Arbeitsmedium mit dem Druckraum des Gasdruckreglers verbunden ist, um den für die Funktion des Gasdruckreglers notwendigen hydraulischen Druck zur Verfügung zu stellen. Dabei ist das flüs sige Arbeitsmedium in vorteilhafterweise ein flüssiger Kraftstoff.

Weiter wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemä ßen Systems vorgeschlagen, bei dem im Rücklaufspeicher ein Gasdruck vorge halten wird, der zwischen Druck im Gasraum und dem Druck im Gastank liegt. Dieser Rücklaufspeicher stellt ein weiteres Druckniveau zur Verfügung, mit dem Leckage des Gasdruckreglers minimiert werden kann und dessen Gas als Gas quelle dienen kann, das energiesparend auf den Druck im Zwischentank verdich tet werden kann.

Zeichnungen

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Gasdruckregler für gasförmigen

Kraftstoff gezeigt ebenso wie ein System mit einem solchen Gasdruckregler.

Dazu zeigt

Figur 1 ein erfindungsgemäßes System zur Versorgung einer Brennkraftma schine mit gasförmigen Kraftstoff mit einem Gasdruckregler,

Figur 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Gasdruckregler und

Figur 3 ein pneumatisches bzw. hydraulisches Ersatzschaltbild für den erfin dungsgemäßen Gasdruckregler.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes System zur Versorgung einer Brennkraft maschine mit gasförmigem Kraftstoff schematisch dargestellt. Dieses System ist dazu ausgebildet, sowohl gasförmigen Kraftstoff als auch flüssigen Kraftstoff ei nem Injektor zuzuführen, der dann beide Kraftstoffe gleichzeitig oder auch zeit lich versetzt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einbringen kann. Das System umfasst dazu ein Gassystem und ein Flüssigkeitssystem. Das Gassys tem, das in der Figur 1 mit A bezeichnet ist, weist einen Gastank 100 auf, in dem gasförmiger Kraftstoff vorzugsweise kryogen gespeichert ist und in dem ein nied riger Druck herrscht. Der gasförmige Kraftstoff wird über eine Gaspumpe 150 verdichtet und über eine Leitung 101 einem Zwischentank 200 zugeführt, wo der gasförmige Kraftstoff zwischengespeichert wird. Über eine Leitung 201 wird der gasförmige Kraftstoff einem Gasdruckregler 1 zugeführt, der den Gasdruck auf das gewünschte Niveau regelt und schließlich einem Gasrail 400 zuführt, wo gasförmiger Kraftstoff unter dem für die Eindüsung in den Brennraum der Brenn kraftmaschine notwendigen Druck vorgehalten wird. Aus dem Gasrail 400 wird der gasförmige Kraftstoff über eine Leitung 401 einem Injektor 700 oder mehre ren Injektoren 700 zugeführt, über die der gasförmige Kraftstoff schließlich direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht wird.

Am Gasdruckregler 1 ist ein Rücklaufanschluss 40 vorgesehen, von dem eine Leitung 301 in einen Rücklaufspeicher 300 führt. Im Rücklaufspeicher 300 wird gasförmiger Kraftstoff vorgehalten, dessen Druck zwischen dem Druck im Gastank 100 und im Gasrail 400 liegt. Zur weiteren Verwendung des Gases in nerhalb des Rücklaufspeichers 300 wird dieses bei Bedarf über eine weitere Lei tung 302 wieder der Gaspumpe 150 zugeführt, so dass - so weit genug gasför miger Kraftstoff im Rücklaufspeicher 300 zur Verfügung steht - dieses zur weite ren Verdichtung durch die Gaspumpe 150 verwendet werden kann und kein wei teres Gas aus dem Gastank 100 entnommen werden muss. Der Gasdruckregler 1 weist weiterhin einen Niederdruckgasablauf 38 auf, der mit einer Rücklauflei tung 102 verbunden ist, über die gasförmiger Kraftstoff, der nur einen niedrigen Druck aufweist, bei Bedarf direkt in den Gastank 100 abgesteuert werden kann.

Der Gasdruckregler 1 ist darüber hinaus über einen Flüssigrücklaufanschluss 37 und eine Leitung 502 mit einem Flüssigkeitstank 500 verbunden. Der Flüssig keitstank 500 ist Teil des Flüssigkeitssystems, das in der Figur 1 mit B bezeich net ist und ein flüssiges Arbeitsmedium zur Verfügung stellt, beispielsweise flüs sigen Kraftstoff, der im Flüssigkeitstank 500 vorgehalten wird. Mit dem Flüssig keitstank 500 ist eine Flüssigkeitspumpe 550 verbunden, die die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitstank verdichtet und über eine Leitung 501 einem Hochdruck speicher 600 zuführt. Der Hochdruckspeicher 600 ist mit einem Hochdruckzulauf 33 des Gasdruckreglers 1 verbunden und darüber hinaus über eine Leitung 601 mit den Injektoren 700 bzw. dem Injektor 700. In Figur 2 ist der Aufbau des Gasdruckreglers 1 schematisch im Längsschnitt dargestellt. Der Gasdruckregler 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem ein Gaskolben 3 längsverschiebbar angeordnet ist. Der Gaskolben 3, der auch mehrteilig aufge baut sein kann, weist an seiner in der Zeichnung linken Seite einen Führungsab schnitt 6 auf, mit dem er dichtend innerhalb des Gehäuses 2 geführt ist und durch seine erste Stirnseite 17 einen Druckraum 7 begrenzt, der mit einem flüssi gen Arbeitsmedium befüllbar ist. Zur Befüllung des Druckraums 7 ist dieser mit einem im Gehäuse 2 ausgebildeten Hochdruckzulauf 33 verbunden, über wel chen verdichtete Flüssigkeit aus dem Hochdruckspeicher 600 in den Druckraum 7 geleitet werden kann, die das Arbeitsmedium bildet. Zur Regulierung des Drucks im Druckraum 7 ist ein Absteuerventil 34 vorgesehen, das bei Über schreiten eines vorgegebenen Drucks öffnet, so dass flüssiges Arbeitsmedium aus dem Druckraum 7 über eine Absteuerleitung 35 und einen Rücklaufan schluss 37 in den Flüssigkeitstank 500 zurückgeführt wird.

Angrenzend an den Führungsabschnitt 6 ist innerhalb des Gehäuses 2 ein Flüs sigkeitsniederdruckraum 13 ausgebildet, der den Gaskolben 3 umgibt und der die Leckage aufnimmt, die aus dem Druckraum 7 über den unvermeidlichen Spalt, der zwischen der Wand des Gehäuses 2 und dem Führungsabschnitt 6 verbleibt, in den Flüssigkeitsniederdruckraum 13 fließt. Innerhalb des Flüssig keitsniederdruckraums 13 ist ein Ringelement 15 vorgesehen, das den Gaskol ben 13 umgibt und das mittels einer Dichtung 16 gegenüber dem Gehäuse 2 an seiner Außenseite abgedichtet ist. Das Ringelement 15 ist hier über eine medien dichte Schweißverbindung mit einem Faltenbalg 14, verbunden wobei der Falten balg 14 auf seiner gegenüberliegenden Seite - ebenfalls mediendicht - mit dem Gaskolben 3 verbunden ist. Auf diese Weise wird der Flüssigkeitsniederdruck raum 13 vollständig abgedichtet, einerseits über die Dichtung 16 und anderer seits über den Faltenbalg 14 bzw. dessen mediendichte Verbindungen mit der Ringelement 15 bzw. dem Gaskolben 3.

Den Faltenbalg 14 umgibt ein Niederdruckgasraum 9, der über einen Nieder druckgasablauf 38 mit dem Gastank 100 verbindbar ist und in dem entsprechend ein niedriger Gasdruck herrscht. Da zwischen dem Flüssigkeitsniederdruckraum 13 und dem Niederdruckgasraum 9 nur eine geringe Druckdifferenz besteht, liegt entsprechend am Faltenbalg 14 keine oder nur eine geringe Druckdifferenz an. Der Faltenbalg 14 muss damit keine oder nur geringe, in radiale Richtung wir kende Kräfte aufnehmen, so dass dessen Form und Funktionalität stets erhalten bleibt.

Der Gaskolben 3 weist eine erste Dichtung 24 und eine zweite Dichtung 25 auf, wobei die zweite Dichtung 25 den Niederdruckgasraum 9 von einem den Gaskol ben 3 umgebende Gasrücklaufraum 10 trennt, während die erste Dichtung 24 den Gasrücklaufraum 10 von einem Gasraum 5 trennt, der in der Figur 2 im rechten Bereich des Gehäuses 2 dargestellt ist. Sowohl die erste Dichtung 24 als auch die zweite Dichtung 25 umfassen dabei jeweils ein Dichtelement 27, 27‘ und jeweils einen innerhalb des Dichtelements 27, 27‘ angeordneten elastischen Ring 26, 26‘, der dafür sorgt, dass das Dichtelement 27, 27‘ gegen die Wand des Gehäuses 2 gedrückt wird und so den Spalt zwischen dem Gaskolben 3 und dem Gehäuse 2 weitgehend abdichtet. Bis auf eine unvermeidliche Leckage wird so verhindert, das gasförmiger Kraftstoff an den Dichtungen 24, 25 vorbei vom Gasrücklaufraum 10 in den Niederdruckgasraum 9 fließt oder vom Gasraum 5 in den Gasrücklaufraum 10.

Im Gasraum 5 ist eine Gaskolbenfeder 4 unter Druckvorspannung angeordnet, die sich einerseits an einem Absatz 44 im Gehäuse 2 abstützt und andererseits am Gaskolben 3, wodurch der Gaskolben 3 in Richtung des Druckraums 7 mit einer Kraft beaufschlagt wird. Weiterhin ist am Gaskolben 3 eine konische Dicht fläche 22 ausgebildet, mit der der Gaskolben 3 mit einem ebenfalls konischen Ventilsitz 21 zusammenwirkt und dadurch ein Ablassventil bildet, wobei der Ven tilsitz 21 an einem Steuerkolben 28 ausgebildet ist, welcher teilweise im Gaskol ben 3 aufgenommen ist und der ebenfalls längsbeweglich im Gasraum 5 gelagert ist. Die Dichtfläche 22 ist dabei über eine Verbindungsbohrung 8, die sich in eine Längsbohrung 8a und eine Querbohrung 8b unterteilt, mit dem Gasrücklaufraum 10 verbunden. Die Verbindung zum Gasraum 5 wird über eine weitere Querboh rung 12 bzw. mehrere weitere Querbohrungen 12 gebildet, die innerhalb des Gaskolbens 3 ausgebildet sind. Das durch den Ventilsitz 21 und die Dichtfläche 22 gebildete Absteuerventil 20 öffnet so eine Verbindung zwischen dem Gas raum 5 und dem Gasrücklaufraum 10, wenn der Ventilsitz 21 von der Dichtfläche 22 beabstandet ist. Liegt der Gaskolben 3 mit seiner Dichtfläche 22 auf dem Ven tilsitz 21 auf, so wird die Verbindung unterbrochen und der Gasrücklaufraum ist vom Gasraum 5 getrennt.

Der Steuerkolben 28 ist längsbewegbar innerhalb des Gasraums 5 angeordnet und wird von einer Steuerkolbenfeder 29 in Richtung der Dichtfläche 22 mit einer Kraft beaufschlagt und so an einer Anschlagfläche 39 gehalten, die im Gehäuse 2 ausgebildet ist. Zur Verbindung der unterschiedlichen Teilräume des Gasraums 5 untereinander sind im Gehäuse 2 mehrere Bohrungen 23 bzw. Nuten ausgebil det, so dass innerhalb des Gasraums 5 kein Druckgefälle entstehen kann. Auf der dem Gaskolben 3 abgewandten Seite des Steuerkolbens 28 ist weiterhin ein Einlassventilkolben 30 längsverschiebbar gelagert, der an seiner einem

Gashochdruckzulauf 11 zugewandten Seite einen Ventilteller 130 ausbildet, wel cher mit einem entsprechenden Sitz eines Einlaufkörpers 19 zusammenwirkt. Dabei wird der Einlassventilkolben 30 durch eine Einlassventilkolbenfeder 31 mit einer Schließkraft beaufschlagt, so dass der Ventilteller 130 gegen den Sitz im Einlaufkörper 19 gedrückt wird. Vom Gasraum 5 geht ein Gasrailanschluss 42 aus, der den Gasraum 5 mit dem Gasrail 400 verbindet. Der Steuerkolben 28 ist vom Einlassventilkolben 30 axial beabstandet, so dass eine Bewegung des Steu erkolbens 28 nicht unmittelbar eine Bewegung des Einlassventilkolbens 30 zur Folge hat. Dabei ist die Einlassventilkolbenfeder 31 an einem Stützelement 32 abgestützt, das mit dem Einlassventilkolben 30 fest verbunden ist und diesen umgibt.

Der Gasdruckregler 1 ist dafür ausgelegt, im Gasraum 5 einen Druck aufrecht zu erhalten, der etwas unterhalb des Drucks des flüssigen Arbeitsmediums im Druckraum 7 liegt. Dazu funktioniert der Gasdruckregler 1 wie folgt:

Ist der Druck im Gasraum 5 höher als der Druck im Druckraum 7, so ergibt sich die in der Figur 2 dargestellte Stellung des Gaskolbens 2, da der pneumatische Druck im Gasraum 5 den hydraulischen Druck im Druckraum 7 übersteigt und den Gaskolben 3 in Richtung des Druckraums 7 drückt. Da der Steuerkolben 28 durch seine Anlage an der Anschlagfläche 39 an einer Längsbewegung gehin dert wird, entfernt sich die Dichtfläche 22 vom Ventilsitz 21 und öffnet somit das Absteuerventil 20. Gasförmiger Kraftstoff strömt darauf hin aus dem Gasraum 5 über die weitere Querbohrung 12, die Längsbohrung 8a und die Querbohrung 8b in den Gasrücklaufraum 10, von wo der gasförmige Kraftstoff über den Rück laufanschluss 40 in den Rücklaufspeicher 300 gelangt, was den Gasdruck im Gasraum 5 mindert. Der Gashochdruckzulauf 11 ist in dieser Stellung des Gas kolbens 3 verschlossen, da durch den Gaskolben 3 keine Kraft auf den Steuer kolben 28 ausgeübt wird. Der Steuerkolben 28 ist vom Einlassventilkolben 30 be- abstandet und entsprechend verschließt der Einlassventilkolben 30 den

Gashochdruckzulauf 11.

Steigt der Druck im Druckraum 7 an, bis die hydraulische Kraft auf den Gaskol ben 3 die pneumatische Kraft im Gasraum 5 und die Kraft der Gaskolbenfeder 4 übersteigt, so wird der Gaskolben 3 in Längsrichtung in Richtung des Steuerkol bens 28 bewegt, bis er mit seiner Dichtfläche 22 auf dem Ventilsitz 21 des Steu erkolbens 28 zur Anlage kommt. Das durch die Dichtfläche 22 und den Ventilsitz 21 gebildete Steuerventil 20 verschließt damit die Verbindung zwischen dem Gasraum 5 und dem Gasrücklaufraum 10, so dass beide Gasräume 5, 10 jetzt gegeneinander abgedichtet sind. Da über die Steuerkolbenfeder 29 eine weitere Längskraft in Richtung des Druckraums 7 auf den Gaskolben 3 wirkt, bleibt der Gaskolben 3 solange in dieser Stellung, bis der hydraulische Druck im Druck raum 7 weiter ansteigt und schließlich neben dem pneumatischen Druck im Gas raum 5 auch die Kraft der Gaskolbenfeder 4 und der Steuerkolbenfeder 29 über windet. Der Gaskolben 3 bewegt sich weiter in Längsrichtung und drückt dabei den Steuerkolben 28 in Richtung des Einlassventilkolbens 30, bis der Steuerkol ben 28 nach Durchfahren des Hubs a am Einlassventilkolben 30 zur Anlage kommt. Überdrückt der hydraulische Druck im Druckraum 7 schließlich auch die Kraft der Einlassventilkolbenfeder 31, so wird der Einlassventilkolben 30 in den Gashochdruckzulauf 11 gedrückt, und der Ventilteller 130 gibt den Strömungs weg frei, über den Gas unter hohem Druck aus dem Gashochdruckzulauf 11 in den Gasraum 5 strömen kann.

Durch das einströmende Gas erhöht sich der Druck im Gasraum 5 und über den Gasrailanschluss 42 auch im Gasrail 400, bis der pneumatische Druck im Gas raum 5 den Gaskolben 3 wieder in Richtung des Druckraums 7 bewegt. In umge kehrter Abfolge der Bewegung der Kolben schließt dann zuerst der Einlassventil- kolben 30 und trennt den Gasraum 5 vom Gashochdruckzulauf 11. Wird gasför miger Kraftstoff über die Injektoren 700 verbraucht und sinkt dadurch der Druck im Gasraum 5 wieder ab, so öffnet der Einlassventilkolben 30 erneut, so dass gasförmiger Kraftstoff aus dem Gashochdruckzulauf 11 nachströmt dabei bleibt das Absteuerventil 20 ständig geschlossen.

Sinkt der Druck im Druckraum 7 ab bzw. steigt der Druck im Gasraum 5 über ei nen Grenzwert an, so wird der Gaskolben 3 in Längsrichtung in den Druckraum 7 bewegt, bis die Dichtfläche 22 des Gaskolbens 3 vom Ventilsitz 21 abhebt und den Strömungsquerschnitt zwischen dem Gasraum 5 und dem Gasrücklaufraum 10 aufsteuert. Dadurch sinkt der Druck im Gasraum 5 ab, bis er geringer ist als der Druck im Druckraum 7. Kehren sich die Druckverhältnisse zwischen dem Druckraum 7 und dem Gasraum 5 erneut um, so bewegt sich der Gaskolben 3 wieder in Richtung des Steuerkolbens 28, und die oben beschriebene Befüllung des Gasraums 5 über den Gashochdruckzulauf 11 findet erneut statt. Durch das Wechselspiel zwischen dem Steuerkolben 28, dem Einlassventilkolben 30 und dem Gaskolben 3 wird so ein stabiler Druckunterschied zwischen dem Druck raum 7 und dem Gasraum 5 eingestellt, ohne das weitere Mittel, insbesondere keine elektrischen Regelungsmittel, vorhanden sein müssen.

In Figur 3 ist zum besseren Verständnis ein Ersatzschaltbild für den Gasdruck regler gezeigt, dass die Funktionsweise des Steuerventils 20, des durch den Ein lasskolben 30 gebildeten Einlassventils und des Absteuerventils 34 nochmals verdeutlicht. Diese drei Ventile bilden die Grundlage für die Steuerung des Gas drucks im Gasraum 5 im Verhältnis zum hydraulischen Druck im Flüssigkeitssys tem, der im Druckraum 7 herrscht. Bei einer Bewegung des Gaskolbens 3 wird das Steuerventil 20 verschoben, der hier das Steuerelement ist, kommt nach ei nem Freihub am Einlassventilkolben 30 zur Anlage und verschiebt bei entspre chenden Kräfteverhältnissen diesen, so dass der Gashochdruckzulauf 11 geöff net wird. Der Druck im Druckraum 7, der direkt auf den Gaskolben 3 wirkt, wird über das Absteuerventil 34 und den Hochdruckzulauf 33 geregelt.

Das Gas, das im Rücklaufspeicher 300 vorgehalten wird, wird nicht in den Tank 100 zurückgeleitet, sondern der Gaspumpe 150 zugeführt und durch diese er neut auf den höheren Druck im Zwischentank 200 verdichtet. Der Zwischentank 200 ist mit dem Hochdruckanschluss 11 verbunden und weist einen Druck auf, der oberhalb des Drucks des Gasrails 400 liegt, jedoch ist keine hohe Druckdiffe renz notwendig, um das gewünschte Druckniveau im Gasrail 400 zu erreichen. Der Rücklaufspeicher 300 erlaubt es, die Druckdifferenz an den Dichtungen zu reduzieren, so dass an keiner Dichtung des Gasdruckreglers die volle Druckdiffe renz zwischen dem Gastank 100 und dem Zwischentank 200 anliegt. Der Gas druck im Rücklaufspeicher 300 und damit auch im Gasrücklaufraum 10 liegt zwi schen dem Druck im Gastank 100 und dem Druck im Gasrail 400 bzw. im Zwi- schentank 200. Damit herrscht an der ersten Dichtung 24 eine Druckdifferenz, die gegeben ist durch den Druck im Gasrücklaufraum 10 und im Gasraum 5 und die beispielsweise 100 bar beträgt, wenn im Rücklaufspeicher 300 bzw. im Gas rücklaufraum 10 100 bar Druck herrscht und im Gasraum 5 200 bar. Entspre chend herrscht an der zweiten Dichtung 25 zwischen dem Gasrücklaufraum 10 und dem Niederdruckgasraum 9 eine ebenso große Druckdifferenz, so dass so wohl die erste Dichtung 24 als auch die zweite Dichtung 25 der Differenzdruck von 100 bar ausgesetzt sind. Die unvermeidliche Leckage an der ersten Dichtung 24 bzw. der zweiten Dichtung 25 ist bei dem diesem Gasdruckregler 1 relativ ge ring, da zwischen dem Gasrücklaufraum 10 und dem Gasraum 5 nur ein relativ geringer Druckunterschied besteht, ebenso wie zwischen dem Gasrücklaufraum

10 und dem Niederdruckgasraum 9.

Claims

Ansprüche

1. Gasdruckregler (1) zur Regelung des Drucks eines gasförmigen Kraftstoffs, mit einem Gehäuse (2), in dem ein längsbeweglicher Gaskolben (3) angeord net ist, der mit einer ersten Stirnseite (17) einen Gasraum (5) und der mit sei ner gegenüberliegenden, zweiten Stirnseite (18) einen mit einer Arbeitsflüs sigkeit befüllbaren Druckraum (7) begrenzt, wobei der Gaskolben (3) zwi schen den beiden Stirnflächen (17; 18) eine an seiner Außenseite umlau fende erste Dichtung (24) aufweist, mit der der Gaskolben (3) dichtend im Gehäuse (2) geführt ist und die den Gasraum (5) abdichtet, und mit einem Absteuerventil (20), das durch das Zusammenwirken des Gaskolbens (3) mit einem Ventilsitz (21) gebildet ist und über das Gas aus dem Gasraum (5) ab geleitet werden kann,

dadurch gekennzeichnet, dass

an der Außenseite des Gaskolbens (3) eine zweite umlaufende Dichtung (25) ausgebildet ist, mit der der Gaskolben (3) ebenfalls dichtend im Gehäuse (2) geführt ist, wobei der Gaskolben (3) zumindest abschnittsweise von einem Niederdruckgasraum (9) umgeben ist und die zweite Dichtung (25) den Nie derdruckgasraum (9) von einem Gasrücklaufraum (10) trennt, wobei der Gasraum (5) über das Absteuerventil (20) mit dem Gasrücklaufraum (10) verbindbar ist.

2. Gasdruckregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventil sitz (21) an einem Steuerkolben (28) ausgebildet ist, der durch die Längsbe wegung des Gaskolbens (3) bewegbar ist und dadurch zumindest mittelbar einen Gashochdruckzulauf (11) in den Gasraum (5) öffnen kann.

3. Gasdruckregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuer kolben (28) in seiner ersten, dem Gaskolben (3) zugewandten Endstellung einen axialen Abstand zu einem Einlassventilkolben (30) aufweist, der die Öffnung des Gasraums (5) zu dem Gashochdruckzulauf (11) durch seine Längsbewegung öffnet und schließt.

4. Gasdruckregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ein lassventilkolben (30) durch eine Einlassventilfeder (31) in Richtung des Gas kolbens (3) axial vorgespannt ist.

5. Druckregelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Au ßendurchmesser der ersten Dichtung (24) vom Außendurchmesser der zwei ten Dichtung (25) verschieden ist.

6. Druckregelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas kolben (3) durch eine Gaskolbenfeder (4) in Richtung des Druckraums (5) axial vorgespannt ist.

7. Gasdruckregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskol ben (3) angrenzend an den mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllten Druckraum (7) im Gehäuse mit einem Führungsabschnitt (6) geführt ist, wobei der Füh- rungsabschnitt (6) auf der dem Druckraum (7) abgewandten Seite einen

Flüssigkeitsniederdruckraum (13) begrenzt, der den Gaskolben (3) umgibt.

8. Gasdruckregler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüs sigkeitsniederdruckraum (13) von dem Niederdruckgasraum (9) durch einen den Gaskolben (3) umgebenden Faltenbalg (14) getrennt ist.

9. Gasdruckregler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Falten balg (14) an einem Ende mit dem Gaskolben (3) mediendicht verbunden ist.

10. Gasdruckregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas rücklaufraum (10) zwischen der ersten Dichtung (24) und der zweiten Dich tung (25) den Gaskolben (3) umgibt.

11. System zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Kraftstoff mit einem Gastank (100), der über eine Gaspumpe (150) mit einem Zwi schentank (200) verbunden ist, welcher mit einem Gasdruckregler (1) zur Versorgung eines Gasrails (400) mit gasförmigem Kraftstoff unter einem vor- gebbaren Arbeitsdruck verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Gasdruckregler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasrücklauf raum (10) des Gasdruckreglers (1) mit einem Rücklaufspeicher (300) verbun den ist.

13. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochdruck speicher (600) für das flüssige Arbeitsmedium mit dem Druckraum (7) des Gasdruckreglers (1) verbunden ist.

14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Ar beitsmedium ein flüssiger Kraftstoff ist.

15. Verfahren zum Betreiben eines Systems nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Rücklaufspeicher (300) ein Gasdruck vorgehalten wird, der zwischen dem Druck im Gasraum (5) und dem Druck im Gastank (100) liegt.