Titel:

Ventilanordnung zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail

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.

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.

Bei einer Druckregeleinheit der vorstehend genannten Art kann es zwischen den un terschiedlichen Druckbereichen, insbesondere im Bereich von Führungen, zu einer Gas-Leckage kommen. Da sich die Gas-Leckage ungünstig auf den Energiehaushalt des Kraftstoffsystems auswirkt, gilt es Maßnahmen zu treffen, welche eine Leckage verhindern. Beispielsweise können in den Führungen Dichtelemente angeordnet wer den. Da diese jedoch aufgrund der hohen dynamischen Belastung in der Regel vorzei tig verschleißen, kann auf Dauer eine Leckage nicht unterbunden werden. Dies wirkt sich negativ auf den Wirkungsgrad des Kraftstoffsystems aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail eines Kraftstoffsystems derart weiterzuentwi ckeln, dass die vorstehend genannten Nachteile möglichst nicht auftreten.

Zur Lösung der Aufgabe wird die Ventilanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Die zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail eines Kraftstoffsystems vorgeschlagene Ventilanordnung umfasst ein erstes Ventil zur Verbindung des Gas-Rails mit einem Gas-Zulauf und ein zweites Ventil zur Verbindung des Gas-Rails mit einem Gas- Rücklauf. Erstes und zweites Ventil sind dabei koaxial angeordnet und zumindest mit telbar über einen gemeinsamen Steuerkolben betätigbar, der einen Steuerraum be grenzt. Zur Betätigung des ersten Ventils wirkt der Steuerkolben erfindungsgemäß mit einem abschnittsweise hülsenförmig ausgeführten Stellglied zusammen, welches das zweite Ventil umgibt und in axialer Richtung überragt.

Das heißt, dass das erste Ventil in einem größeren axialen Abstand zum Steuerkolben angeordnet ist als das zweite Ventil und das abschnittsweise hülsenförmige Stellglied zur Überbrückung des axialen Abstands zwischen dem ersten Ventil und dem Steuer kolben eingesetzt wird. Der Hub des Steuerkolbens wird somit über das abschnittswei se hülsenförmige Stellglied auf das erste Ventil übertragen, und zwar ohne Mitwirkung des zweiten Ventils. Auf diese Weise können beide Ventile weitgehend unabhängig voneinander geschaltet werden, da die Schaltkette vom Steuerkolben auf das erste Ventil nicht über das zweite Ventil, sondern über ein separates Stellglied führt. Auf die se Weise können die unterschiedlichen Druckbereiche einfacher voneinander getrennt werden. Ferner kann auf die Anordnung verschleißanfälliger Dichtelemente in den Füh- rungsbereichen der hubbeweglichen Teile der beiden Ventile verzichtet werden. Damit entfallen auch die eingangs genannten Nachteile und der Wirkungsgrad des Kraft stoffsystems steigt. Mit Wegfall der Dichtelemente in den Führungsbereichen reduzie ren sich die Reibkräfte, was die Dynamik der hubbeweglichen Teile steigert.

Bevorzugt wird ein erster Teilhub des Steuerkolbens nur zur Betätigung des zweiten Ventils genutzt, und zwar zum Schließen des zweiten Ventils. Das abschnittsweise hülsenförmige Stellglied führt währenddessen einen Freihub aus. Die Betätigung des ersten Ventils erfolgt dann während eines zweiten Teilhubs des Steuerkolbens, nach dem das abschnittsweise hülsenförmige Stellglied seinen Freihub vollendet hat. Das erste Ventil öffnet während das zweite Ventil geschlossen bleibt, so dass mit Öffnen des ersten Ventils Druck im Gas- Rail aufgebaut wird.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das abschnittsweise hülsenförmig ausgeführte Stell glied einen Führungsabschnitt besitzt, der aus mehreren, vorzugsweise in gleichem Winkelabstand zueinander angeordneten Führungsstangen gebildet wird, die einen Ventilkörper durchsetzen, der einen Ventilsitz für das zweite Ventil ausbildet. Die vor zugsweise unmittelbar an einen hülsenförmigen Abschnitt des Stellglieds anschließen den Führungsstangen ermöglichen ein Durchgreifen des Stellglieds durch den Ventil körper ohne dabei den Gas- Rücklauf zu schneiden. Die unterschiedlichen Druckberei che blieben somit getrennt, so dass auf diese Weise einer unerwünschten Leckage entgegengewirkt wird. Auch diese Maßnahme trägt somit zu einem höheren Wirkungs grad des Kraftstoffsystems bei.

Des Weiteren bevorzugt weist das abschnittsweise hülsenförmig ausgeführte Stellglied auf seiner dem Steuerkolben abgewandten Seite eine Platte auf oder ist mit einer Plat te wirkverbunden. Da das abschnittsweise hülsenförmige Stellglied und die Platte ein stückig ausgebildet oder zumindest wirkverbunden sind, wird die Platte bei einem Hub des Steuerkolbens durch das Stellglied mitgeführt. Die Platte vermittelt zwischen dem abschnittsweise hülsenförmigen Stellglied und dem ersten Ventil, insbesondere ver mag sie die Stellkräfte der einzelnen Führungsstangen des Stellglieds zu bündeln. Dadurch ist eine gleichmäßige Kraftübertragung sichergestellt. In Weiterbildung der Er findung wird vorgeschlagen, dass die Platte einen mittig angeordneten Bolzen zur Be tätigung des ersten Ventils besitzt. Mittels des Bolzens kann die Kraft zentral in das erste Ventil eingeleitet werden. Das abschnitsweise hülsenförmig ausgeführte Stellglied ist vorzugsweise über die Fe derkraft einer Feder gegen den Steuerkolben axial vorgespannt. Über die Feder wird die Rückstellung des Stellglieds sichergestellt, so dass die Wirkverbindung zwischen Steuerkolben und Stellglied nur in die der Federkraft entgegengesetzte Richtung be stehen muss. Weiterhin vorzugsweise ist die Feder an der Plate abgestützt, so dass die Federkraft der Feder mitelbar über die Plate auf das Stellglied übertragen wird.

Zur Betätigung des zweiten Ventils wirkt der Steuerkolben bevorzugt mit einem weite ren Stellglied zusammen, das bolzenförmig ausgeführt ist und einen hohlzylinderförmi gen Ventilkolben des zweiten Ventils durchsetzt. Mit Hilfe des bolzenförmigen Stell glieds kann der Ventilkolben aus seinem Ventilsitz gehoben werden, um das zweite Ventil zu öffnen, so dass Druck im Gas- Rail abgebaut wird. Das bolzenförmige Stell glied weist hierzu bevorzugt einen Bund auf, der mit dem Ventilkolben anschlagbildend zusammenwirkt. Der Bund ist dabei auf der dem Steuerkolben abgewandten Seite des Ventilkolbens angeordnet. Weiterhin bevorzugt ist der Ventilkolben mitels der Feder kraft einer Feder gegen den Bund axial vorgespannt. Das bolzenförmige Stellglied wie derum ist bevorzugt mitels der Federkraft einer weiteren Feder gegen den Steuerkol ben axial vorgespannt. Dadurch ist sichergestellt, dass das Stellglied der Bewegung des Steuerkolbens folgt, wenn dieser in seine Ausgangslage zurückgestellt wird, wobei das Stellglied den Ventilkolben aus seinem Ventilsitz hebt.

Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das bolzenförmig ausgeführte Stellglied an seinem den Ventilkolben überragenden Ende einen Führungszapfen auf weist, der in eine als Sackloch ausgebildete Führungsbohrung eingreift. Durch die Aus führung der Führungsbohrung als Sackloch, bleibt die Trennung von Gas-Rücklauf und Gas-Zulauf erhalten, in denen prinzipbedingt unterschiedliche Drücke herrschen. Die Führungsbohrung zu Aufnahme des Führungszapfens des bolzenförmigen Stellglieds ist vorzugsweise im Ventilkörper ausgebildet, der auch den Ventilsitz des zweiten Ven tils und/oder den Gas- Rücklauf ausbildet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Ventil einen in axialer Richtung hin- und herbeweglichen Ventilstößel auf, der durch die Federkraft ei ner Feder gegen einen Ventilsitz des ersten Ventils axial vorgespannt ist. Das erste Ventil kann beispielsweise als einfaches Rückschlagventil ausgeführt sein. Auf diese Weise können die Kosten zur Herstellung der Ventilanordnung gesenkt werden.

Ferner wird vorgeschlagen, dass der Steuerraum über einen Druckmittel-Zulauf mit in tegrierter Zulaufdrossel mit einem Druckmittel beaufschlagbar und über einen Druck mittel-Ablauf mit integriertem Druckmittel-Absteuerventil entlastbar ist. Über den Zulauf und Ablauf des Druckmittels aus dem Steuerraum ist somit der auf den Steuerkolben lastende Steuerdruck einstellbar. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Druckmittel um ein hydraulisches Druckmittel, beispielsweise Flüssigkraftstoff, insbesondere Die selkraftstoff, da derartige hydraulische Druckmittel in der Regel ohnehin vorhanden sind bzw. mitgeführt werden.

Um eine sichere Medientrennung zwischen dem gasförmigen Kraftstoff und dem Druckmittel zu bewirken, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass ein Dichtelement zur Medientrennung vorgesehen ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich der gasförmige Kraftstoff mit dem anderen Medium mischt. Das Dichtelement ist vorzugsweise als Well- oder Faltenbalg ausgeführt, da derartige Dich telemente Hubbewegungen eines hubbeweglichen Bauteils zulassen. Denn weiterhin vorzugsweise ist das Dichtelement einerseits am Steuerkolben, andererseits gehäuse seitig befestigt, um den Gas-Bereich von dem Bereich zu trennen, der mit dem vor zugsweise hydraulischen Druckmittel beaufschlagt 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 und

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanord nung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Der Fig. 1 ist eine erste erfindungsgemäße 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 4 verbindbar ist, sowie ein zweites Ventil 5, das der Verbindung des Gas-Rails 2 mit ei nem Gas-Rücklauf 6 dient. Durch wahlweises Öffnen und Schließen der beiden Venti le 3, 5 kann der Gasdruck im Gas-Rail 2 angehoben oder gesenkt werden.

Die beiden Ventile 3, 5 sind koaxial angeordnet und werden durch einen ebenfalls koa xial angeordneten Steuerkolben 7 betätigt, der einen Steuerraum 8 begrenzt, der mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar ist. Das Druckmittel wird dem Steuer raum 8 über einen Druckmittel-Zulauf 23 mit integrierter Zulaufdrossel 24 zugeführt, so dass der Zulauf von Druckmittel zu einer Anhebung des Steuerdrucks im Steuerraum 8 führt. Um den Steuerdruck zu senken, wird über ein Druckmittel-Absteuerventil 26 eine Verbindung des Steuerraums 8 mit einem Druckmittel-Ablauf 25 hergestellt. Über den Steuerdruck im Steuerraum 8 kann somit eine auf den Steuerkolben 7 wirkende hyd raulische Druckkraft realisiert werden, die zu einer Hubbewegung des Steuerkolbens 7 führt. Am Steuerkolben 7 ist ein als Faltenbalg ausgeführtes Dichtelement 27 angeord net, um die erforderliche Medientrennung zwischen dem Steuerraum 8 und dem Gas- Rail 2 zu bewirken.

Bei einem Druckanstieg im Steuerraum 8 bewegt sich der Steuerkolben 7 in Richtung der beiden Ventile 3, 5. Dabei führt er ein bolzenförmiges Stellglied 16 mit, das einen hubbeweglichen Ventilkolben 17 des zweiten Ventils 5 durchsetzt. Der Ventilkolben 17 ist mittels der Federkraft einer Feder 28 gegen einen Bund 29 des bolzenförmigen Stellglieds 16 axial vorgespannt, so dass sich mit dem Stellglied 16 auch der Ventilkol ben 17 bewegt, bis er zur Anlage an einem Ventilsitz 11 des zweiten Ventils 5 gelangt und das zweite Ventil 5 schließt. An den Bund 29 schließt sich ein Führungszapfen 18 an, der in eine Führungsbohrung 19 eines Ventilkörpers 12 eintaucht und somit das bolzenförmige Stellglied 16 einschließlich des Ventilkolbens 17 führt. Die Führungsboh rung 19 ist als Sackloch ausgeführt, so dass der Gas-Zulauf 4 vom Gas-Rücklauf 6 weiterhin getrennt bleibt. Denn der Ventilkörper 12 bildet nicht nur die Führungsboh rung 19, sondern ferner den Ventilsitz 11 sowie den Gas- Rücklauf 6 aus.

Mit Schließen des zweiten Ventils 5 wird die Bewegung des Steuerkolbens 7 fortge setzt, um in der Folge das erste Ventil 3 zu öffnen. Hierbei wirkt der Steuerkolben 7 mit einem abschnittsweise hülsenförmigen Stellglied 9 zusammen, welches das zweite Ventil 5 umgibt und in axialer Richtung überragt. An seinem dem Steuerkolben 7 ab gewandten Ende weist das abschnittsweise hülsenförmige Stellglied 9 eine Platte 13 mit einem mittig angeordneten Bolzen 14 zur Kontaktierung eines Ventilstößels 20 des ersten Ventils 3 auf. Während des Schließens des zweiten Ventils 5 führt das ab schnittsweise hülsenförmige Stellglied 9 zunächst einen Freihub aus, bis der Bolzen 14 den Ventilstößel 20 kontaktiert. Über den Bolzen 14 wird dann im weiteren Verlauf der Ventilstößel 20 entgegen der Federkraft einer Feder 21 aus einem Ventilsitz 22 geho ben. Erst dann öffnet das erste Ventil 3 und im Gas-Rail 2 kann Druck aufgebaut wer den.

Um einen Druckabbau im Gas-Rail 2 zu bewirken, wird der Steuerdruck im Steuer raum 8 durch Öffnen des Druckmittel-Absteuerventils 26 gesenkt. Der Steuerkolben 7 wird dann über die Federkraft einer weiteren Feder 15, welche an der Platte 13 des ab schnittsweise hülsenförmigen Stellglieds 9 abgestützt ist, und der am Steuerkolben 7 anstehenden Druckdifferenz zwischen dem Gas-Rail 2 und dem Steuerraum 8 in seine Ausgangslage zurückgestellt. Gleiches gilt für das abschnittsweise hülsenförmige Stellglied 9. Dabei löst sich der Bolzen 14 vom Ventilstößel 20 des ersten Ventils 3, so dass die Feder 21 den Ventilstößel 20 in den Ventilsitz 22 zu ziehen vermag und das erste Ventil 3 schließt. Die Rückstellung des Steuerkolbens 7 ist damit noch nicht be endet, so dass im weiteren Verlauf der Bewegung des Steuerkolbens 7 der Bund 29 des bolzenförmigen Stellglieds 16 zur Anlage am Ventilkolben 17 gelangt und diesen aus dem Ventilsitz 11 hebt, so dass in der Folge das zweite Ventil 5 geöffnet wird.

Das mit dem Steuerkolben 7 zusammenwirkende, abschnittsweise hülsenförmige Stellglied 9 weist angrenzend an die Platte 13 einen Abschnitt auf, der durch mehrere, in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Führungsstangen 10 ausbildet wird. Die Führungsstangen 10 sind durch den Ventilkörper 12 hindurchgeführt, wobei die Winkellage derart gewählt ist, dass das Stellglied 9 nicht den Gas- Rücklauf 6 schneidet. Gas-Zulauf 4 und Gas-Rücklauf 6 bleiben somit weiterhin getrennt. Eine zweite erfindungsgemäße Ventilanordnung 1 zur Gasdruckregelung in einem Gas-Rail 2 ist der Fig. 2 zu entnehmen. Hier ist die Platte 13 des abschnittsweise hül senförmig ausgebildeten Stellglieds 9 als separates Bauteil ausgeführt, wodurch sich die Herstellung des Stellglieds 9 vereinfacht. Mittels der Federkraft der Feder 15 ist die

Platte 13 gegen die Führungsstangen 10 des abschnittsweise hülsenförmigen Stell glieds 9 axial vorgespannt. Eine Führung der Platte 13 wird über den Bolzen 14 be wirkt, der hierzu einen gehäuseseitig abgestützten Haltekörper 30 durchgreift. Der Hub der Platte 13 wird durch einen endseitig am Bolzen 14 angeordneten Bund 31 be- grenzt.