WO2024200084A1 - Proportionalregelventil zum steuern eines gasförmigen brennstoffs, insbesondere wasserstoff, in einem brennstoffversorgungssystem einer brennkraftmaschine oder in einem brennstoffzellensystem, sowie druckregeleinheit und brennstoffversorgungssystem - Google Patents

Proportionalregelventil zum steuern eines gasförmigen brennstoffs, insbesondere wasserstoff, in einem brennstoffversorgungssystem einer brennkraftmaschine oder in einem brennstoffzellensystem, sowie druckregeleinheit und brennstoffversorgungssystem Download PDF

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Patrick Hallas
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M21/0296—Manufacturing or assembly; Materials, e.g. coatings

Definitions

  • Proportional control valve for controlling a gaseous fuel, in particular hydrogen, in a fuel supply system of an internal combustion engine or in a fuel cell system, as well as pressure control unit and fuel supply system
  • the invention relates to a proportional control valve for controlling a gaseous fuel, in particular hydrogen, in a fuel supply system of an internal combustion engine or in a fuel cell system, as well as a pressure control unit and a fuel supply system, according to the preambles of the respective independent claims.
  • Internal combustion engines whose fuel is gaseous hydrogen are well known on the market. Such internal combustion engines can be used, for example, to drive motor vehicles.
  • the hydrogen can be stored in gaseous form in a tank-like fuel storage unit under relatively high pressure, for example 700 bar. From there it passes through a high-pressure pressure control device to a low-pressure pressure control unit and then to a fuel distribution device, which is functionally similar to the fuel rail in an internal combustion engine with gasoline or diesel direct injection.
  • the high-pressure pressure control device typically regulates the gas pressure down to, for example, around 40 bar, while the low-pressure pressure control unit regulates the gas pressure further down, typically to a pressure of around 15 bar.
  • DE 102017210 367 A1 discloses a proportional control valve as can be used in the above-described or as the low-pressure pressure control unit described above. It comprises a valve element and a valve seat which delimits a passage opening for the gaseous medium.
  • One advantage of the invention is that the assembly of the proportional control valve according to the invention is simplified.
  • the previously necessary insertion of an O-ring for sealing and the previously necessary caulking to secure the position of the first housing section can be omitted.
  • the effort required for handling parts on the production line of the proportional control valve is reduced because fewer components are required. All of this leads to a reduction in production costs.
  • the quality of the seal between the first housing section and the second housing section is also improved.
  • a proportional control valve for controlling a gaseous fuel, in particular hydrogen, in a fuel supply system of an internal combustion engine or in a fuel cell system.
  • gaseous hydrogen can be used, for example, for internal engine combustion.
  • the internal combustion engine can essentially be a typical piston internal combustion engine, such as those used in motor vehicles or stationary applications, for example for driving generators.
  • the hydrogen can be stored in gaseous form in a tank-like fuel storage unit under relatively high pressure, for example 700 bar. From there, it can be fed via a high-pressure pressure control device to a low-pressure pressure control unit and then to a fuel distribution device, which is functionally similar to the fuel rail in an internal combustion engine with gasoline or diesel direct injection.
  • the high-pressure pressure control device typically regulates the gas pressure down to, for example, approximately 40 bar, while the low-pressure pressure control unit regulates the gas pressure further down, typically to a pressure of approximately 15 bar.
  • several injectors can be connected to the fuel distribution device, which inject the fuel directly into the combustion chambers of the internal combustion engine (H2 direct injection) or into a prechamber (port fuel injection).
  • the low-pressure pressure control unit just mentioned (also called “HIPR” or “Hydrogen Injection Pressure Regulator”) regulates the pressure and thus the mass or volume flow in the fuel distribution device or to the fuel distribution device according to the specific requirements.
  • the HIPR can include at least one proportional control valve or consist of one.
  • the low-pressure pressure control unit can also include a pressure sensor and/or a safety valve. When the internal combustion engine is switched off, the safety valve is closed and the safety valve opens when the internal combustion engine is to be started.
  • An alternative application of the proportional control valve according to the invention is in a fuel cell system for generating electrical energy for both stationary and mobile applications, for example motor vehicles.
  • the proportional control valve is one that has a valve element and a valve spring.
  • the valve element interacts with a valve seat.
  • the proportional control valve is designed as a seat valve.
  • the valve seat is typically ring-shaped and it limits a passage opening for the gaseous medium, for example hydrogen.
  • the valve spring mentioned is typically designed in such a way that it acts on the valve element in the closing direction.
  • An electromagnetic actuator, for example, is typically designed in such a way that it can act on the valve element in the opening direction against the force of the valve spring.
  • the proportional control valve includes a first housing section.
  • the valve spring is clamped between the valve element and the first housing section.
  • the valve spring can be a helical compression spring.
  • the first housing section is movable relative to a second housing section to adjust a spring preload, at least initially, i.e. when assembling the proportional control valve according to the invention. In this way, by appropriately positioning the first housing section relative to the second housing section, the spring preload of the valve spring can be influenced and adjusted to a desired value.
  • the first housing section is connected to the second housing section in a fluid-tight and materially bonded manner.
  • a materially bonded connection is understood to mean a connection in which the first housing section and the second housing section are connected to one another by fusion and/or by intermolecular or chemical bonding forces, optionally via additives.
  • the fluid-tight and material-locking connection is only established after - if necessary - the first housing section has been positioned relative to the second housing section to set a desired spring preload.
  • the first housing section is first brought into a desired position relative to the second housing section and held in this position, and then the fluid-tight and material-locking connection is established.
  • the material-locking connection In order for the material-locking connection to be truly fluid-tight, it should extend over the entire extent of the circumference of the first housing section, for example in the case of a cylindrical first housing section.
  • the first housing section is connected to the second housing section in a fluid-tight and materially bonded manner by welding, soldering or gluing. These are easily implemented and cost-effective types of materially bonded connections.
  • the material connection is produced in an area which, viewed in the radial direction, is arranged between the first housing section and the second housing section.
  • a material connection can be produced in a radial gap between a radially inner first housing section and a radially outer second housing section.
  • a comparatively large connection surface is typically provided due to the axial extension of the first housing section, whereby the fluidic seal is particularly good.
  • Such a connection can be produced very well by gluing, for example.
  • the material connection is made in an axial end area of the first housing section. This area is very easily accessible for a corresponding tool.
  • Particularly suitable types of connection in this case are welding and soldering.
  • first housing section is screwed to the second housing section. This makes it easier to set the desired spring preload of the valve spring and ensures that the set axial relative position of the first housing section to the second housing section is maintained for establishing the material-locking connection.
  • the first housing section is pressed into the second housing section. This is cost-effective.
  • the invention also includes a pressure control unit in a
  • the invention further includes a fuel supply system for supplying an internal combustion engine or a fuel cell system with gaseous fuel, in particular hydrogen, comprising a fuel reservoir, at least one proportional control valve and a consumer arranged downstream of the proportional control valve, wherein the proportional control valve is designed according to the type mentioned above.
  • Figure 1 is a schematic representation of a fuel supply system for supplying an internal combustion engine with gaseous fuel with a pressure control unit with a proportional control valve;
  • Figure 2 shows a longitudinal section through the proportional control valve of Figure 1;
  • Figure 3 is an enlarged detail of Figure 2;
  • Figure 4 is a view similar to Figure 3 of an alternative embodiment.
  • Figure 5 is a representation similar to Figure 3 of yet another alternative embodiment.
  • a fuel supply system is indicated in Figure 1 by the reference number 10. It is used to supply an internal combustion engine (not shown) with a gaseous fuel, in this case for example gaseous hydrogen.
  • the hydrogen is stored in gaseous form under high pressure, for example approximately 700 bar, in a tank-like fuel storage unit 12. This can be filled via a filling connection 14.
  • An integrated unit 16 comprising a tank valve for filling and dispensing hydrogen into and from the fuel storage unit 12 and a temperature sensor for detecting the temperature of the gaseous hydrogen coming from the fuel storage unit 12 is also arranged on the fuel storage unit 12.
  • the gaseous hydrogen first reaches a filter 20 via a pressure line 18 and from there to a high-pressure pressure control device 22. This reduces the pressure of the gaseous hydrogen to a pressure in the range of 40 bar, for example.
  • the pressure line 18 leads from the high-pressure pressure control device 22 to a pressure sensor 24, a further filter 26 and an optional temperature control device 28 and finally to a low-pressure pressure control unit 30.
  • the low-pressure pressure control unit 30 comprises, in the present example, two hydraulically parallel pressure control valves 32, a low-pressure pressure sensor 34 and a safety valve in the form of a shut-off valve device 36.
  • the two pressure control valves 32 are identically constructed and are proportional control valves in the present case.
  • the low-pressure pressure control unit 30 reduces the pressure in the pressure line 18 again from the inlet-side pressure of approximately 40 bar to a pressure of approximately 15 bar, for example.
  • the pressure line 18 leads to a fuel distribution device 38, which can be designed, for example, as an elongated pipe in the manner of a typical fuel rail, as is known from gasoline and diesel fuel systems.
  • the gas pressure prevailing in the fuel distribution device 38 is detected by a pressure sensor 40.
  • injectors 42 are connected to the fuel distribution device 38, which inject the gaseous hydrogen directly into combustion chambers 44 of the internal combustion engine, for example.
  • the gaseous hydrogen is mixed with atmospheric oxygen in the combustion chambers 44, and this mixture is ignited by a respective ignition device 46.
  • the internal combustion engine is typically a 2-stroke or 4-stroke piston internal combustion engine of a largely conventional design.
  • such an internal combustion engine is used to drive a motor vehicle. However, it can also be used stationary, for example, to drive a generator to generate electricity.
  • the fuel supply system 10 and its components are controlled by an electronic control and regulating device 48, which has one or more corresponding microprocessors, a memory for program code, etc. This receives signals from, among others, the temperature sensor 16, the pressure sensor 24, the pressure sensor 40, etc.
  • the control and regulating device 48 controls various components of the fuel supply system 10, including the low-pressure pressure regulating device 30, the safety valve 36 and the ignition devices 46.
  • a control device 50 is also controlled by the control and regulating device 48, which in turn specifically controls or regulates the operation of the fuel storage device 12.
  • the proportional control valve 32 comprises an elongated housing sleeve 52. This is surrounded in its upper region in Figures 2 and 3 by an electromagnetic actuator 54 with a magnetic coil 56. A valve element 58 is guided in the housing sleeve 52, which in this case has an elongated cylindrical shape with sections of different diameters. A section of the valve element 58 with a relatively large diameter forms a magnet armature 60. The magnet armature 60 can also be a separate part that is firmly connected to the valve element 58.
  • An upper region 62 of the housing sleeve 52 in the figures is formed by a
  • Closure part 64 is closed. Between the valve element 58 and the
  • a valve spring 66 is clamped in the closure part 64, which presses the valve element 58 into the figures are applied downwards.
  • the closure part 64 forms a first housing section, whereas the upper region 62 of the housing sleeve 52 forms a second housing section.
  • the housing sleeve 52 has a lateral fluid inlet 68. In its lower region in the figures, the housing sleeve 52 is connected to a metallic valve seat body 70 in which a passage opening 72 coaxial with the housing sleeve 52 and the valve element 58 is present, on which a valve seat (without reference number) for the valve element 58 is present.
  • the proportional control valve 32 works as follows: if the solenoid coil 56 is not energized, the valve element 58 is pressed against the passage opening 72 by the valve spring 66. If the solenoid coil 56 is energized, the valve element 58 is moved upwards in the figures against the force of the valve spring 66, whereby the valve element 58 lifts off the passage opening 72. Gaseous medium or hydrogen can thus flow out of the fluid inlet 68 via the passage opening 72. The amount of flowing medium and thus ultimately the pressure in the fuel distribution device 38 can be influenced by the strength of the energization of the solenoid coil 56.
  • the first housing section 64 (closure part) with the second housing section 62 (upper region of the housing sleeve 52) will now be explained, particularly with reference to Figure 3.
  • the valve spring 66 is clamped between the valve element 58 and the first housing section 64.
  • the first housing section 64 has the shape of a bolt with a head 74 and a pin 76.
  • An outer surface 78 of the head 74 and an outer surface 80 of the pin 76 are each flat or straight.
  • the second housing section 62 of the housing sleeve 52 is complementary to the first housing section 64 with a likewise straight inner surface 82 or 84.
  • the outer surface 78 of the first housing section 64 is designed as a sliding fit relative to the inner surface 82 of the second housing section 62.
  • the outer surface 80 of the first housing section 64 is designed as a sliding fit relative to the inner surface 84 of the second housing section 62 is designed in the present case as a sliding fit.
  • the first housing section 64 is connected to the second housing section 62 in a fluid-tight and materially bonded manner, in the present case as an example by a continuous weld seam 86 running around the circumference.
  • the weld seam 86 is produced in the present case as an example in an axial end region 88 or 90 of the first housing section 64 or the second housing section 62.
  • the first housing section 64 When manufacturing the proportional control valve 32, the first housing section 64 is first inserted into the second housing section 62 in a force-controlled manner in order to set a desired spring preload of the valve spring 66. Once the first housing section 64 has reached the position in which the desired spring preload of the valve spring 66 is present, the weld seam 86 is produced and the first housing section 64 is thereby connected to the second housing section 62 in a fluid-tight and materially bonded manner.
  • the head 74 is pressed with its outer surface 78 into the inner surface 82, i.e. held in a press fit in the position in which the desired spring preload of the valve spring 66 is present.
  • the material connection between the first Housing section 64 and the second housing section 62 are also manufactured by welding, for example resistance welding.
  • FIG. 5 The embodiment shown in Figure 5 is similar to that of Figures 2 and 3. However, a thread 94 is present in the outer surface 78 of the head 74 of the first housing section 64, and a complementary thread (without reference number) is present in the inner surface 82 of the second housing section 62.
  • the first housing section 64 is therefore screwed into the second housing section 62 of the housing sleeve 52 or screwed to it.
  • the proportional control valve could be used not in a fuel supply system of an internal combustion engine, but in a fuel supply system of a fuel cell system.

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Abstract

Ein Proportionalregelventil (32) zum Steuern eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, in einem Brennstoffversorgungssystem (10) einer Brennkraftmaschine oder in einem Brennstoffzellensystem umfasst ein Ventilelement (58), eine Ventilfeder (66) und einen ersten Gehäuseabschnitt (64), wobei die Ventilfeder (66) zwischen dem Ventilelement (58) und dem ersten Gehäuseabschnitt (64) verspannt ist, und wobei der erste Gehäuseabschnitt (64) zur Einstellung einer Federvorspannung wenigstens anfänglich gegenüber einem zweiten Gehäuseabschnitt (62) beweglich ist. Es wird vorgeschlagen, dass der erste Gehäuseabschnitt (64) mit dem zweiten Gehäuseabschnitt (62) fluiddicht und stoffschlüssig (86; 92) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Titel
Proportionalregelventil zum Steuern eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, in einem Brennstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine oder in einem Brennstoffzellensystem, sowie Druckregeleinheit und Brennstoffversorgungssystem
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Proportionalregelventil zum Steuern eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, in einem Brennstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine oder in einem Brennstoffzellensystem, sowie Druckregeleinheit und Brennstoffversorgungssystem, nach den Oberbegriffen der jeweiligen 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, gasförmig 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 102017210 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.
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 Erfindung ist, dass die Montage des erfindungsgemäßen Proportionalregelventils vereinfacht wird. Das bisher notwendige Einsetzen eines O-Rings zur Abdichtung sowie das bisher notwendige Verstemmen zur Positionssicherung des ersten Gehäuseabschnitts können entfallen. Darüber hinaus wird der Aufwand für die Handhabung von Teilen an der Fertigungslinie des Proportionalregelventils reduziert, da weniger Bauteile benötigt werden. All dies führt zu einer Reduktion der Fertigungskosten. Auch wird die Qualität der Abdichtung zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt verbessert.
Konkret wird dies erreicht durch ein Proportionalregelventil zum Steuern eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, in einem Brennstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine oder in einem Brennstoffzellensystem. 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, gasförmig 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 der 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.
Eine alternative Anwendung des erfindungsgemäßen Proportionalregelventils ist in einem Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von elektrischer Energie sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen, beispielsweise Kraftfahrzeuge.
Als Proportionalregelventil wird erfindungsgemäß ein solches vorgeschlagen, welches ein Ventilelement und eine Ventilfeder aufweist. Das Ventilelement wirkt mit einem Ventilsitz zusammen. Insoweit ist das Proportionalregelventil als Sitzventil ausgebildet. 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 stromabwärts von dem Proportionalregelventil beeinflusst werden. Die erwähnte Ventilfeder ist typischerweise so ausgebildet, dass sie das Ventilelement in Schließrichtung beaufschlagt. Ein beispielsweise elektromagnetischer Aktor ist typischerweise so ausgebildet, dass er das Ventilelement entgegen der Kraft der Ventilfeder in Öffnungsrichtung beaufschlagen kann.
Zu dem Proportionalregelventil gehört ein erster Gehäuseabschnitt. Die Ventilfeder ist zwischen dem Ventilelement und dem ersten Gehäuseabschnitt verspannt. Beispielsweise kann es sich bei der Ventilfeder um eine Schraubendruckfeder handeln. Um die Ventilfeder montieren zu können und um durch Fertigungstoleranzen verursachte Maßungenauigkeiten ausgleichen zu können, ist zumindest anfänglich, also bei der Montage des erfindungsgemäßen Proportionalregelventils, der erste Gehäuseabschnitt zur Einstellung einer Federvorspannung gegenüber einem zweiten Gehäuseabschnitt beweglich. Auf diese Weise kann durch eine entsprechende Positionierung des ersten Gehäuseabschnitts relativ zum zweiten Gehäuseabschnitt die Federvorspannung der Ventilfeder beeinflusst und auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
Dabei wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der erste Gehäuseabschnitt mit dem zweiten Gehäuseabschnitt fluiddicht und stoffschlüssig verbunden ist. Dabei wird unter einer stoffschlüssigen Verbindung eine solche Verbindung verstanden, bei der der erste Gehäuseabschnitt und der zweite Gehäuseabschnitt durch Verschmelzen und/oder durch intermolekulare oder chemische Bindungskräfte, gegebenenfalls über Zusatzstoffe, miteinander verbunden werden.
Die fluiddichte und stoffschlüssige Verbindung wird dabei erst hergestellt, nachdem - erforderlichenfalls - der erste Gehäuseabschnitt relativ zum zweiten Gehäuseabschnitt zur Einstellung einer gewünschten Federvorspannung positioniert wurde. Typischerweise wird in einer entsprechenden Vorrichtung der erste Gehäuseabschnitt relativ zum zweiten Gehäuseabschnitt zunächst in eine gewünschte Position gebracht und in dieser gehalten, und dann wird die fluiddichte und stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Damit die stoffschlüssige Verbindung wirklich fluiddicht ist, sollte sie sich beispielsweise bei einem zylindrischen erste Gehäuseabschnitt über die komplette Erstreckung des Umfangs des ersten Gehäuseabschnitts erstrecken. Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Gehäuseabschnitt mit dem zweiten Gehäuseabschnitt fluiddicht und stoffschlüssig durch Schweißen, Löten oder Kleben stoffschlüssig verbunden ist. Dies sind leicht realisierbare und kostengünstige Arten von stoffschlüssigen Verbindungen.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die stoffschlüssige Verbindung in einem Bereich hergestellt wird, welcher in radialer Richtung gesehen zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt angeordnet ist. Beispielsweise kann eine solche stoffschlüssige Verbindung in einem radialen Spalt zwischen einem radial innen liegenden ersten Gehäuseabschnitt und einem radial außen liegenden zweite Gehäuseabschnitt hergestellt werden. In diesem Bereich wird aufgrund der axialen Erstreckung des ersten Gehäuseabschnitts typischerweise eine vergleichsweise große Verbindungsfläche bereitgestellt, wodurch die fluidische Abdichtung besonders gut ist. Eine solche Verbindung kann beispielsweise sehr gut durch Kleben hergestellt werden.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die stoffschlüssige Verbindung in einem axialen Endbereich des ersten Gehäuseabschnitts hergestellt wird. Dieser Bereich ist für ein entsprechendes Werkzeug sehr gut zugänglich. Besonders geeignete Verbindungsarten sind in diesem Fall Schweißen und Löten.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Gehäuseabschnitt mit dem zweiten Gehäuseabschnitt verschraubt ist. Hierdurch wird die Einstellung der gewünschten Federvorspannung der Ventilfeder erleichtert und das Halten der eingestellten axialen relativen Position des ersten Gehäuseabschnitts zum zweiten Gehäuseabschnitts für das Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung gesichert.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Gehäuseabschnitt in den zweiten Gehäuseabschnitt eingepresst ist. Dies ist kostengünstig.
Zu der Erfindung gehört auch eine Druckregeleinheit in einem
Brennstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine zur Druckregelung eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, welche mindestens ein Proportionalregelventil der oben genannten Art umfasst.
Ferner gehört zu der Erfindung ein Brennstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine oder eines Brennstoffzellensystem mit gasförmigem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, umfassend einen Brennstoffspeicher, mindestens ein Proportionalregelventil und einen stromabwärts von dem Proportionalregelventil angeordneten Verbraucher, wobei das Proportionalregelventil gemäß der oben genannten Art ausgebildet ist.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffversorgungssystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Brennstoff mit einer Druckregeleinheit mit einem Proportionalregelventil;
Figur 2 einen Längsschnitt durch das Proportionalregelventil von Figur 1 ;
Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt von Figur 2;
Figur4 eine Darstellung ähnlich zu Figur 3 einer alternativen Ausführungsform; und
Figur 5 eine Darstellung ähnlich zu Figur 3 einer nochmals alternativen Ausführungsform.
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 Figur 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 Gasform 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 2zweite 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 Kraftstoff rails, 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.
Nun wird unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 eine erste Ausführungsform eines Proportionalregelventils 32 stärker im Detail erläutert. Das Proportionalregelventil 32 umfasst eine längliche Gehäusehülse 52. Diese wird in ihrem in den Figuren 2 und 3 oberen Bereich von einem elektromagnetischen Aktor 54 mit einer Magnetspule 56 umgeben. In der Gehäusehülse 52 ist ein Ventilelement 58 geführt, welches vorliegend eine längliche zylindrische Gestalt mit Abschnitten mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist. Ein Abschnitt des Ventilelements 58 mit relativ großem Durchmesser bildet einen Magnetanker 60. der Magnetanker 60 kann aber auch ein separates Teil sein, der mit dem Ventilelement 58 fest verbunden ist.
Ein in den Figuren oberer Bereich 62 der Gehäusehülse 52 ist durch ein
Verschlussteil 64 verschlossen. Zwischen dem Ventilelement 58 und dem
Verschlussteil 64 ist eine Ventilfeder 66 verspannt, die das Ventilelement 58 in den Figuren nach unten beaufschlagt. Das Verschlussteil 64 bildet einen ersten Gehäuseabschnitt, wohingegen der obere Bereich 62 der Gehäusehülse 52 einen zweiten Gehäuseabschnitt bildet.
Die Gehäusehülse 52 weist einen seitlichen Fluideinlass 68 auf. An ihrem in den Figuren unteren Bereich ist die Gehäusehülse 52 mit einem metallischen Ventilsitzkörper 70 verbunden, in dem eine zur Gehäusehülse 52 und zum Ventilelement 58 koaxiale Durchlassöffnung 72 vorhanden ist, an der ein Ventilsitz (ohne Bezugszeichen) für das Ventilelement 58 vorhanden ist.
Das Proportionalregelventil 32 arbeitet folgendermaßen: ist die Magnetspule 56 nicht bestromt, wird das Ventilelement 58 durch die Ventilfeder 66 gegen die Durchlassöffnung 72 gedrückt. Wird die Magnetspule 56 bestromt, wird das Ventilelement 58 gegen die Kraft der Ventilfeder 66 in den Figuren nach oben bewegt, wodurch das Ventilelement 58 von der Durchlassöffnung 72 abhebt. Somit kann gasförmiges Medium bzw. Wasserstoff vom Fluideinlass 68 über die Durchlassöffnung 72 ausströmen. Über die Stärke der Bestromung der Magnetspule 56 kann die Menge des strömenden Mediums und damit letztlich der Druck in der Brennstoffverteileinrichtung 38 beeinflusst werden.
Nun wird insbesondere unter Bezugnahme auf Figur 3 das Zusammenwirken des ersten Gehäuseabschnitts 64 (Verschlussteil) mit dem zweiten Gehäuseabschnitt 62 (oberer Bereich der Gehäusehülse 52) erläutert. Wie oben erwähnt, ist die Ventilfeder 66 zwischen dem Ventilelement 58 und dem ersten Gehäuseabschnitt 64 verspannt. Bei der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsform weist der erste Gehäuseabschnitts 64 die Form eines Bolzens auf mit einem Kopf 74 und einem Zapfen 76. Eine äußere Mantelfläche 78 des Kopfes 74 und eine äußere Mantelfläche 80 des Zapfens 76 sind jeweils eben bzw. gerade ausgebildet. Der zweite Gehäuseabschnitt 62 der Gehäusehülse 52 ist zum ersten Gehäuseabschnitt 64 komplementär ausgebildet mit einer ebenfalls geraden inneren Mantelfläche 82 bzw. 84.
Die äußere Mantelfläche 78 des ersten Gehäuseabschnitts 64 ist gegenüber der inneren Mantelfläche 82 des zweiten Gehäuseabschnitts 62 vorliegend beispielhaft im Gleitsitz ausgeführt. Ebenso ist die äußere Mantelfläche 80 des ersten Gehäuseabschnitts 64 gegenüber der inneren Mantelfläche 84 des zweiten Gehäuseabschnitts 62 vorliegend beispielhaft im Gleitsitz ausgeführt. Der erste Gehäuseabschnitt 64 ist mit dem zweiten Gehäuseabschnitt 62 fluiddicht und stoffschlüssig vorliegend beispielhaft durch eine in Umfangsrichtung umlaufende und durchgehende Schweißnaht 86 verbunden. Die Schweißnaht 86 ist dabei vorliegend beispielhaft in einem axialen Endbereich 88 bzw. 90 des ersten Gehäuseabschnitts 64 bzw. des zweiten Gehäuseabschnitts 62 hergestellt.
Bei der Herstellung des Proportionalregelventils 32 wird zunächst der erste Gehäuseabschnitt 64 in den zweiten Gehäuseabschnitt 62 kraftgesteuert eingeführt, um so eine gewünschte Federvorspannung der Ventilfeder 66 einzustellen. Hat der erste Gehäuseabschnitt 64 jene Position erreicht, in der die gewünschte Federvorspannung der Ventilfeder 66 vorliegt, wird die Schweißnaht 86 hergestellt und hierdurch der erste Gehäuseabschnitt 64 mit dem zweiten Gehäuseabschnitt 62 fluiddicht und stoffschlüssig verbunden.
Bei einer vorliegend nicht gezeigten Ausführungsform, die jedoch in der Zeichnung nicht anders aussehen würde als die in den Figuren 2 und 3 gezeigte Ausführungsform, ist der Kopf 74 mit seiner äußeren Mantelfläche 78 in die innere Mantelfläche 82 eingepresst, also in jener Position, in der die gewünschte Federvorspannung der Ventilfeder 66 vorliegt, im Presssitz gehalten.
Bei der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform ist zwischen der äußeren Mantelfläche 78 des Kopfes 74 des ersten Gehäuseabschnitts und der inneren Mantelfläche 82 des zweiten Gehäuseabschnitts 62 eine geringer Spalt vorhanden, der nach dem Einstellen der Federvorspannung der Ventilfeder 66 durch eine in Umfangsrichtung durchgehende Verklebung 92 aufgefüllt wird, durch die der erste Gehäuseabschnitt 64 ebenfalls fluiddicht und stoffschlüssig mit dem zweiten Gehäuseabschnitt 62 verbunden wird. Somit wird bei dieser Ausführungsform die stoffschlüssige Verbindung in einem Bereich hergestellt, welcher in radialer Richtung gesehen zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt 64 und dem zweiten Gehäuseabschnitt 62 angeordnet ist.
Bei einer vorliegend nicht gezeigten Ausführungsform, die jedoch in der
Zeichnung nicht anders aussehen würde als die in Figur 4 gezeigte Ausführungsform, wird die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt 64 und dem zweiten Gehäuseabschnitt 62 ebenfalls durch Schweißen, beispielsweise Widerstandsschweißen, hergestellt.
Die in Figur 5 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich zu jener der Figuren 2 und 3. Allerdings ist in der äußeren Mantelfläche 78 des Kopfes 74 des ersten Gehäuseabschnitts 64 ein Gewinde 94 vorhanden, und in der inneren Mantelfläche 82 des zweite Gehäuseabschnitts 62 ist ein hierzu komplementäres Gewinde (ohne Bezugszeichen) vorhanden. Der erste Gehäuseabschnitt 64 ist daher in den zweiten Gehäuseabschnitt 62 der Gehäusehülse 52 eingeschraubt bzw. mit diesem verschraubt.
Es versteht sich, dass bei nicht gezeigten Ausführungsformen unterschiedliche Arten der stoffschlüssigen Verbindung zwischen erstem Gehäuseabschnitt und zweitem Gehäuseabschnitt miteinander kombiniert werden können. Ferner versteht sich, dass bei nicht gezeigten Ausführungsformen das Proportionalregelventil nicht in einem Brennstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine, sondern in einem Brennstoffversorgungssystem eines Brennstoffzellensystems eingesetzt werden könnte.

Claims

Ansprüche
1. Proportionalregelventil (32) zum Steuern eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, in einem Brennstoffversorgungssystem (10) einer Brennkraftmaschine oder in einem Brennstoffzellensystem, mit einem Ventilelement (58), einer Ventilfeder (66) und einem ersten Gehäuseabschnitt (64), wobei die Ventilfeder (66) zwischen dem Ventilelement (58) und dem ersten Gehäuseabschnitt (64) verspannt ist, und wobei der erste Gehäuseabschnitt (64) zur Einstellung einer Federvorspannung wenigstens anfänglich gegenüber einem zweiten Gehäuseabschnitt (62) beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseabschnitt (64) mit dem zweiten Gehäuseabschnitt (62) fluiddicht und stoffschlüssig (86; 92) verbunden ist.
2. Proportionalregelventil (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseabschnitt (64) mit dem zweiten Gehäuseabschnitt (62) fluiddicht und stoffschlüssig durch Schweißen (86), Löten oder Kleben (92) stoffschlüssig verbunden ist.
3. Proportionalregelventil (32) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung in einem Bereich hergestellt wird, welcher in radialer Richtung gesehen zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt (64) und dem zweiten Gehäuseabschnitt (62) angeordnet ist.
4. Proportionalregelventil (32) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung in einem axialen Endbereich (88) des ersten Gehäuseabschnitts (64) hergestellt wird.
5. Proportionalregelventil (32) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseabschnitt (64) mit dem zweiten Gehäuseabschnitt (62) verschraubt ist.
6. Proportionalregelventil (32) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseabschnitt (64) in den zweiten Gehäuseabschnitt (62) eingepresst ist.
7. Druckregeleinheit (30) in einem Brennstoffversorgungssystem (10) einer Brennkraftmaschine zur Druckregelung eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Proportionalregelventil (32) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
8. Brennstoffversorgungssystem (10) zur Versorgung einer Brennkraftmaschine oder eines Brennstoffzellensystem mit gasförmigem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, umfassend einen Brennstoffspeicher (12), mindestens ein Proportionalregelventil (32) und einen stromabwärts von dem Proportionalregelventil (32) angeordneten Verbraucher, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportionalregelventil (32) nach wenigstens einem der Ansprüche 1-6 ausgebildet ist.
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