Druckregelsvstem für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine und Verwendung eines Druckregelsvstems

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Druckregelsystem für eine gasbetriebene

Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Druckregelsystems.

Ein Druckregelsystem für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Praxis bereits bekannt. Das bekannte Druckregelsystem dient der Versorgung eines in den Ansaugtrakt einer

Brennkraftmaschine oder in den Brennraum einer Brennkraftmaschine hineinragenden Gasventils mit gasförmigem Kraftstoff, beispielsweise mit Erdgas. Hierzu wird das Gasventil aus einem unter hohem Druck stehenden Tankbehälter über eine Gasleitung mit Gas versorgt. Der hohe Druck im

Tankbehälter dient der Möglichkeit der Bevorratung einer relativ hohen Masse an gasförmigem Kraftstoff. Der Betrieb des Gasventils erfolgt demgegenüber mit einem gegenüber dem Speicherdruck im Tankbehälter reduzierten Gasdruck. Hierzu ist in der Gasleitung zwischen dem Tankbehälter und dem Gasventil ein (mechanischer) Druckregler angeordnet, der den beispielsweise etwa 200 bar hohen Speicherdruck im Tankbehälter auf beispielsweise 7 bar Systemdruck reduziert. Weiterhin ist es aus Sicherheitsgründen vorgesehen, dass in der Gasleitung sowohl im Bereich des hohen Drucks, d.h. zwischen dem

Tankbehälter und dem Druckregler, als auch in dem Bereich des relativ niedrigen Drucks, d.h. im Bereich zwischen dem Druckregler und dem Gasventil, jeweils ein als Hochdruckabsperrventil bzw. als Niederdruckabsperrventil ausgebildetes Sperrorgan angeordnet ist. Die nach dem Niederdruckabsperrventil angeordnete Gasleitung zum Gasventil versorgt üblicherweise das Gasventil nicht unmittelbar mit Gas, sondern unter Zwischenschaltung eines Speichervolumens (Rail). Der durch den mechanischen Druckregler eingestellte Nenndruck im System, beispielsweise 7 bar, ist dabei als Kompromiss anzusehen, derart, dass einerseits innerhalb einer relativ geringen Zeitspanne bei einem hohen

Leistungswunsch relativ viel Gasmasse über den Gasinjektor in den Brennraum bzw. in den Ansaugtrakt eingeblasen werden kann, und andererseits auch kleine Gasmengen präzise dosiert werden können. Dabei ergibt sich die Problematik, dass bei einem zu hohen Gas- bzw. Systemdruck und geringen Einblasmassen die Ansteuerzeiten für das Gasventil so kurz werden, dass der Gasinjektor nicht mehr stabil betrieben werden kann. Dies lässt sich dann nur durch ein Absenken des Gas- bzw. Systemsdrucks erreichen. Aufwändige Systeme lösen die

Aufgabe, den Gasdruck dem Motorbetriebspunkt anzupassen, mittels eines elektronischen Gasdruckreglers, wie er beispielsweise aus der DE 103 46 983

B4 bekannt ist. Ein derartiger elektronischer Druckregler regelt den gewünschten Druck typischerweise anhand einer Vielzahl von Parametern, die diesem als Eingangsgrößen zugeführt werden.

Offenbarung der Erfindung

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Druckregelsystem für gasbetriebene

Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart

weiterzubilden, dass mit möglichst geringem vorrichtungstechnischem Aufwand eine Variation des Drucks am Eingangsbereich des Gasventils erzielbar sein soll. Gemeint ist hierbei, dass beispielsweise bei einem geringem Leistungswunsch am Gasventil der Gas- bzw. Systemdruck relativ gering sein soll, um das

Gasventil mit relativ langen Ansteuerzeiten betreiben zu können, um dadurch die erforderliche Gasmasse möglichst genau dosieren zu können. Demgegenüber soll beispielsweise bei einem großen Lastwunsch ein relativ hoher Gas- bzw. Systemdruck am Gasventil anliegen, um trotz der begrenzten Ansteuer- bzw. Einblaszeit genügend Gasmasse zur Verbrennung zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Druckregelsystem für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das aus Sicherheitsgründen erforderliche bzw. vorhandene Niederdruckabsperrventil, das beim Stand der Technik im unbestromten Zustand geschlossen und im bestromten Zustand vollständig geöffnet ist, derart zu modifizieren, dass das Absperrventil den Gasdruck in der Gasleitung zwischen dem Absperrventil und dem Gasventil in gewünschter Art und Weise auf einen bestimmten erforderlichen Wert einstellt, der geringer sein kann als der von dem mechanischen Druckregler eingestellte Druck. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Absperrventil zur Einstellung eines veränderbaren Gasdrucks am Gasventil als getaktetes Absperrventil ausgebildet ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass über das Taktverhältnis zwischen bestromten und unbestromten Zustand des Absperrventils dieses eine Stellung einnimmt, die der Einstellung des Gasdrucks am Gasventil auf den gewünschten Wert dient. Gegenüber den im Stand der Technik bekannten Absperrventilen ist es somit lediglich erforderlich, das erfindungsgemäße

Absperrventil auf die Möglichkeit des getakteten Betriebs auszubilden, d.h. den Magnetkreis und/oder Ventilsitze etc. entsprechend auszubilden, dass diese auch bei einem getakteten Dauerbetrieb über die Lebensdauer der

Brennkraftmaschine betrachtet die erforderlichen Funktionen erfüllen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Druckregelsystems für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Eingangsgröße für den Sollwert des Gasdrucks, der durch das Absperrventil eingestellt werden soll, ein Wert eines Motorkennfelds ist. Im einfachsten Fall kann das Motorkennfeld

beispielsweise eine bestimmte Motordrehzahl und einen Lastpunkt umfassen, dem ein bestimmter Solldruck am Gasventil zugeordnet ist.

Weiterhin ist es zur Einstellung des gewünschten Gasdrucks am Gasventil sinnvoll, wenn das Absperrventil dazu ausgebildet ist, mit einer Taktfrequenz zwischen 0 Hz und 1000 Hz betrieben werden zu können. Die Taktfrequenz ist dabei eine Funktion, die von verschiedenen Parametern des Gesamtsystems abhängt.

Das Absperrventil kann beispielsweise über einen Zweipunktregler betrieben werden, der das Absperrventil zur Erzielung des Solldrucks zwischen einer oberen und einer unteren Schaltschwelle ansteuert. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Druckregelsystem dazu ausgebildet, bei mit Erdgas, LPG (= Gemisch aus Propan und Butan) oder Wasserstoff betriebenen Brennkraftmaschinen eingesetzt zu werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in der einzigen Figur in schematischer Darstellung ein System zur Versorgung von Brennräumen einer Brennkraftmaschine eines mit Erdgas betriebenen Kraftfahrzeugs.

Das in der Figur dargestellte System 100 dient der Versorgung von beispielhaft vier Gasventilen 1 eines erdgasbetriebenen Kraftfahrzeugs bzw. einer (nicht gezeigten) vierzylindrigen Brennkraftmaschine. Dabei ist jedem Zylinder ein Gasventil 1 zugeordnet, das Erdgas in den jeweiligen Zylinder der

Brennkraftmaschine einbläst.

Ergänzend wird erwähnt, dass anstelle einer Anordnung mit mehreren

Gasventilen 1 es auch vorgesehen sein kann, das System 100 unter

Verwendung eines einzigen Gasventils 1 auszulegen, bei dem das Gasventil 1 dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeordnet ist.

Das System 100 umfasst einen Tankbehälter 10, in dem das Erdgas

beispielsweise unter einem Druck von etwa 200 bar gespeichert ist. Die

Versorgung der Gasventile 1 mit dem Erdgas erfolgt im Wesentlichen über eine Gasleitung 11 , über die das aus dem Tankbehälter 10 entnommene Gas einem Speichervolumen in Form eines Rails 12 zugeführt wird. Von dem Rail 12 gehen wiederum mehrere Zuführleitungen 13 ab, die das Rail 12 mit jeweils einem Gasventil 1 verbinden.

Um den Gas- bzw. Systemdruck an den einzelnen Gasventilen 1 von dem im Tankbehälter 1 1 herrschenden Speicherdruck von etwa 200 bar beispielsweise auf einen mittleren (System-) Druck von etwa 7 bar zu reduzieren, ist in der Gasleitung 11 ein mechanischer Druckregler 15 angeordnet, der auf einen festen Wert, beispielsweise die angesprochenen 7bar, eingestellt ist. Aus Sicherheitsgründen ist in der Gasleitung 1 1 zwischen dem Tankbehälter 10 und dem Druckregler 15 ein Hochdruckabsperrventil 16, und zwischen dem Druckregler 15 und dem Rail 12 ein Niederdruckabsperrventil 20 angeordnet. Sowohl das Hochdruckabsperrventil 16 als auch das Niederdruckabsperrventil 20 sind derart ausgebildet, dass diese im stromlosen Zustand die Gasleitung 11 sperren, um einen Durchfluss von Gas in Richtung der Gasventile 1 zu verhindern. Weiterhin ist es vorgesehen, dass in der Gasleitung 11 zwischen dem

Niederdruckabsperrventil 20 und dem Rail 12 ein Drucksensor 21 angeordnet ist.

Alternativ kann der Drucksensor 21 auch im Rail 12 integriert angeordnet sein.

Der Drucksensor 21 liefert den erfassten Gasdruck einem Regler 25 als

Eingangsgröße zu, der wiederum der Ansteuerung des

Niederdruckabsperrventils 20 dient. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Niederdruckabsperrventil 20 als getaktetes Niederdruckabsperrventil 20 ausgebildet ist. Vorzugsweise ist dieses so ausgebildet, dass dessen

Taktfrequenz zwischen 0 Hz und 1000 Hz beträgt. Um den Gasdruck in der Gasleitung 11 nach dem Druckregler 15, d.h.

insbesondere in dem Rail 12 und den Versorgungsleitungen 13 und somit an den Gasventilen 1 auf einen von dem am Druckregler 15 abweichenden, niedrigeren Gasdruck einstellen zu können, wird das Niederdruckabsperrventil 20 über den Regler 25 mit einer vorgegebenen Taktfrequenz angesteuert. Hierzu wird dem Regler 25 aus einem Motorkennfeld 30 ein bestimmter Sollwert des Gasdrucks am Gasventil 1 bzw. am Rail 12 vorgegeben.

Im einfachsten Fall ist der Regler 25 als Zweipunktregler ausgebildet. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass sich im Stationärbetrieb der Brennkraftmaschine eine konstante Taktfrequenz ergibt, d.h., dass der Regler 25 das

Niederdruckabsperrventil 20 mit einer bestimmten (konstanten) Taktfrequenz ansteuert. Wenn sich jedoch beispielsweise der Lastpunkt und damit die erforderliche Gasmenge an den Gasventilen 1 ändert, dann verändert sich auch die Frequenz. Sobald der von dem Drucksensor 21 detektierte Gasdruck in der Gasleitung 1 1 einen oberen Grenzwert überschreitet, hört der Regler 25 damit auf, das Niederdruckabsperrventil 20 anzusteuern, so dass dieses in seine Sperrstellung übergeht. Dadurch sinkt der Gasdruck in der Gasleitung 11 bzw. dem Rail 12 aufgrund des Gasverbrauchs an den Gasventilen 1 ab. Sobald der Drucksensor 21 daraufhin einen unteren Grenzwert des Gasdrucks erfasst, beginnt der Regler 25 wiederum das Niederdruckabsperrventil 20 anzusteuern. Dadurch erfolgt eine Erhöhung des Durchflusses von Gas von dem Druckregler

15 in Richtung des Rails 12 bzw. der Gasventile 1 , bis wiederum der obere Grenzwert erreicht ist. Der mittlere Wert des Gasdrucks zwischen dem unteren Grenzwert und dem oberen Grenzwert entspricht dem von dem Regler 25 vorgegebenen Solldruck.

Das soweit beschriebene System 100 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.