用于直接喷射气态燃料的设备的制作方法

本发明涉及一种用于直接喷射气态燃料、尤其氢气的设备。

背景技术：

1、为了保护环境，人们越来越致力于开发以减少co2排放为重点的替选的燃料策略。在此，重点尤其回到迄今的内燃机的进一步改进上，其中例如用“绿色”燃料、例如气相中的h2取代所使用的柴油燃料。为了快速推广和快速被接受，在此需要这些新型发动机与传统一代的发动机(如柴油发动机)相比，不仅在稳态运行中而且在瞬态/动态运行中，都带来相同的或更好的性能。

2、近年来，传统内燃机主要由汽油(主要汽油和柴油)构成的液态燃料占据主导地位。在使用气态燃料如天然气(cng)或液化气(lpg)连同其所属的喷射系统的内燃机领域中，已经设计了许多实验。然而，在这些情况下，在内燃机的批量生产中使用间接多点喷射系统(mpi)，其中将气体以低的压力、典型地<10bar的压力喷射到发动机的抽吸歧管中。在这种技术中，喷射压力几乎是恒定的，并且不需要快速的压力变化。

3、然而，以优化发动机性能为目标而对馈送有气态燃料(cng或h2)的内燃机进行的新的研究表明，直接喷射技术(即将气态燃料直接输送到发动机气缸的燃烧室中)出于性能和效率原因看起来是无可替代的。为了可以实现所希望的燃料量的精确计量，喷射系统需要高度动态的压力调节能力，在mpi技术中不需要所述压力调节能力，因为在那里气态燃料在大约10bar或更小的保持相同的压力下连续地引导至喷嘴。

技术实现思路

1、本发明提出一种有效的解决方案，以便可以通过系统设计的新颖理念实现改进的压力动态和压力调节。

2、在开发喷射系统时的主要要求是发动机和其余部件的设计，以及用于设置系统的非常有限的空间。因此，必须在性能和尺寸之间找到一个折衷，以便优化设有喷射系统的机器或车辆的整体性能。

3、图1在此示出从现有技术中已知的实施方案，其中气态燃料经由喷射器吹入到燃烧室中。如之后在附图说明的部分中更详细地描述那样，可看出，轨道中的压力期望值与压力实际值明显有偏差，使得经由喷射器喷射气态燃料并不总能带来所希望的性能结果。这——如本发明可看出的那样——尤其在于，设置在气体存储器与轨道之间的电压力调节阀具有位于下游的大的控制体积。所述控制体积也无法缩小，因为压力调节阀应设置在气体存储器附近，以便尽可能小地保持在那里存在的非常高的压力(约350bar)和伴随其发生的耗费的线路铺设。

4、因为直接气体喷射涉及在批量生产中尚未使用的技术，所以目前市场上还没有不仅满足压力调节的动态要求而且满足流量要求的解决方案(低负荷和重负荷机器需要非常可靠且可精确控制的h2流量)。

5、目前已知的开发在其基本设计方面对应于当前在mpi发动机中使用的低压调节，并且使用唯一的压力调节单元(电prv部件)，所述压力调节单元集成整个功能：箱体压力稳定和动态调节到期望值。

6、所述部件通常安装在箱体出口处或机器底盘处，以便避免对于安装在发动机舱中的解决方案典型的振动、热负荷和机械负荷。这种解决方案的主要缺点和限制是大的构件尺寸连同由此引起的设置密度和布局灵活性的限制、增加的构件重量以及由于安装在发动机舱中引起的机械负荷和热负荷。因此，总体上不推荐设置在发动机舱中。此外，通过设置在发动机舱外得出调节器后方的大的调节体积和借此得出高的响应缓慢性(无法通过系统和调节器与喷射器之间的长的线路的内部体积减小)。

7、因为使用气态氢气作为用于直接喷射的燃料关于瞬态和动态性能要求非常高，所以本发明的目标是减轻或克服上述缺点。在此，尤其应与箱体在车辆中的设置位置以及机器尺寸或车辆尺寸无关地确保快速的和精确的压力调节。

8、这通过具有权利要求1的所有特征的设备实现。本发明的有利的设计方案在此在从属权利要求中得出。

9、根据本发明的用于直接喷射气态燃料、尤其氢气的设备在此包括：压力调节单元，所述压力调节单元设计为将气态燃料的所输送的可变的压力水平转换成稳态的恒定的输出压力水平；分配器单元，所述分配器单元与用于将引导穿过压力调节单元的气态燃料直接喷射到燃烧室中的至少一个喷射器连接；以及压力调节单元与分配器单元之间的流体连接装置，以便将气态燃料以恒定的输出压力向下游朝向分配器单元引导。所述设备特征在于，沿着流体连接装置设置有流动调节阀，所述流动调节阀设计为将气态燃料的恒定的输出压力水平设定到所希望的不超过输出压力水平的期望压力。

10、因此，与现有技术相比，压力调节现在通过两个彼此不同的部件来实施。以前还通常在气体存储器与分配器单元之间设有压力调节阀，所述压力调节阀能够根据要求将由气体存储器提供的气体压力转换成特定的、可变的输出压力，而根据本发明采用另一方法。

11、根据本发明提出，使用压力调节单元和在其下游设置的流动调节阀，以便克服传统上存在的缺点。因此，在此首先经由压力调节单元将在气体存储器中在非常高的压力(直至350bar)下压缩的气态(或在存储器中也以液态形式存在的)燃料降低到稳态的恒定的中间压力水平(例如60bar)，然后才在其下游借助于流动调节阀设定到分配器单元中实际要求的压力(例如，10bar至60bar的范围内的值)。

12、通过根据本发明的将功能分开成两个不同的部件(压力调节单元和流动调节阀)得出的优点在于，通过对应地设置流动调节阀，可以减小下游体积(调节体积)。这然后引起，在分配器单元中所希望的期望压力值与存在的实际压力值的偏差减小，因为在分配器单元中存在的压力值的更快速的改变是可行的。

13、喷嘴馈送的压力的值是进入到控制体积(轨道+线路+喷嘴)的体积流与必须离开控制体积(发动机要求)的流之间的流动平衡的结果。用于排空调节体积的时间与调节体积的尺寸成正比。通过最小化调节体积，也最小化系统的响应时间，使得可以非常快速地进行压力调节。

14、与轻型和重型应用的典型要求相一致，10bar至80bar的范围内、优选地10bar至60bar的范围内的，具有20bar/秒至60bar/秒的范围内、优选地40bar/秒至60bar/秒的范围内、例如50bar/秒的压力梯度的压力调节是有利的。

15、在本发明中，进一步有利的是，在每次启动发动机时应被置于无气体的状态中的控制体积减小。

16、根据本发明的可选的改型可以提出，流动调节阀设置在流体连接装置的朝向分配器单元的一半上，优选地设置在流体连接装置的从分配器单元出发的四分之一上，优选地设置在流体连接装置的从分配器单元出发的十分之一上，并且更尤其优选地直接设置在分配器单元处。

17、通过将流动调节阀设置在分配器单元处或分配器单元附近，得出如下更小的体积：流动调节阀必须改变所述更小的体积的压力。由此，在针对分配器单元或由其馈送的喷射器的压力状态的压力调节请求的情况下，得出改进的动态响应性能。

18、根据本发明的另一改进方案可以提出，流体连接装置包括或是柔性流体连接装置、尤其柔性管或柔性软管，以便例如在分配器单元与压力调节单元之间解耦振动。因此，也可以提出如下实施方案，其中流体连接装置由多个部件构成，其中仅一个部件是柔性的。

19、通过在压力调节单元与分配器单元之间使用柔性流体连接装置，可以解耦由于紧邻发动机或燃烧室而在分配器单元的区域中典型地出现的振动。据此，振动不会朝向压力调节单元传递，或仅以强烈地衰减的方式朝向压力调节单元传递，使得关于针对压力调节单元的抗振性的要求可以降低。

20、还可以提出，本发明具有存储器、尤其气体存储器或箱体，以便将气态燃料以可根据填充状态变化的压力水平输送给压力调节单元。根据本发明也包括，经由喷射器气态状输出的燃料以液态形式存在于存储器中。

21、因此，典型的是，随后在其气态状态下吹入到燃烧室中的燃料在非常高的压力(例如，约350bar)下储存在箱体或气体存储器中。气体存储器在此也可以由多个存储器元件构成，以便最佳地利用车辆中的空间关系。

22、根据本发明的另一改进方案可以提出，流动调节阀还能够中断压力调节单元与分配器单元之间的流体连接，以便完全禁止燃料输送到分配器单元中。

23、由此可以省去设置单独需要的截止阀(shut-off-ventil)，所述截止阀在设备未激活(例如，在车辆停车时)的较长的时间段内也引起燃料的输送。由此减少所需的构件的数量，这引起降低复杂性并且减少总重量，这在功率效率方面是有利的。

24、根据本发明的一个有利的改型还可以提出，本发明还设有电子控制单元，所述电子控制单元设计为操控流动调节阀和至少一个喷射器，优选地根据在分配器单元中检测到的温度值和/或压力值进行操控。

25、电子控制单元具有如下任务：调节燃料流入到分配器单元中并且调节连接到分配器单元上的至少一个喷射器的打开或关闭。为了提供与设备共同作用的发动机的由操作者所希望的对应的功率特性，所述设备获得操作者的对应的指令并且将所述指令转换成对应的操控信号。传输给流动阀和至少一个喷射器的信号在此可以根据在分配器单元中存在的压力和/或温度而变化。例如，如果操作者希望自发功率要求，则在分配器单元中必须尽可能快速地达到特定的提高的压力水平，使得必须根据已经存在的压力水平打开流动阀。相反，如果在分配器单元中存在的温度高于阈值，则尽管操作者有自发功率要求，燃料流量仍可以通过流动阀保持在可能的最大值以下或甚至减少，以便将燃烧室中进行的燃烧过程的效率保持在尽可能高的水平。

26、为此，设备还可以设有设置在分配器单元中的温度传感器和/或压力传感器，以用于将测量值传输给电子控制单元。

27、根据本发明的一个可选的改型可以提出，分配器单元是轨道、尤其共同轨道或是分配器块，其中优选地，流动调节阀集成到分配器块中或设置在所述分配器块处。

28、根据本发明还可以提出，多个喷射器与分配器单元连接，所述喷射器设置在至少一个菊花链配置(daisy-chain-konfiguration)中，其中多个喷射器与分配器单元的共同的输出端连接。因此，即可以提出，分配器单元比待供给燃料的喷射器具有更少的输出端。于是，多个喷射器可以简单地由分配器块的输出端中的一个输出端供给燃料。例如，如果分配器单元具有两个输出端并且存在六个喷射器，则三个喷射器可以分别与分配器单元的两个输出端中的一个输出端连接。在这一点上有利的是，与对于每个喷射器都具有至分配器单元或分配器块的自身的线路的情况相比，具有更小的调节容积。

29、根据本发明的一个可选的改型可以提出，压力调节单元是机械式压力调节单元，优选地是机械式单级压力调节单元。在此，作为压力调节单元的实施方案，也可以考虑压力调节阀。

30、根据本发明的一个改进方案可以提出，压力调节单元设计为将稳态的恒定的输出压力水平调节到如下压力：所述压力处于40bar至80bar、优选地50bar至70bar以及优选地55bar至65bar的范围内。通过由压力调节单元将压力设定到固定的稳态的值，对于设置在下游的流动调节阀可以更容易达到所希望的压力期望值。最后，流动调节阀然后不必再能够基于不同的输入压力提供对应的压力期望值。

31、根据本发明的一个变型方案还可以提出，气体存储器设计为在300bar至400bar、优选地320bar至370bar以及优选地345bar至355bar的范围内的压力下存储燃料、尤其氢气。

32、根据本发明的另一有利的改型可以提出，设备设有截止阀，所述截止阀设计为截止压力调节单元与分配器单元之间的流体连接。在此，优选地可以提出，截止阀集成在流动调节阀中，其中但是也由本发明包括的是，流动调节阀和截止阀是彼此独立的元件。在两个单独的元件的实施方案中，特别有利的是，截止阀与流动调节阀间隔开地设置，并且具有沿着流体连接装置距流动调节阀至少50cm、优选地60cm以及优选地70cm的间距。

33、在此，有利的是，在发动机停止时或在启动-停止运行期间减少气体吸收，其方式为截止阀可以已经及早地截止流体连接。

34、此外，本发明也涉及一种具有根据上文中讨论的变型方案中的一个变型方案的设备的车辆，其中车辆的发动机舱形成第一区域，在所述第一区域中设置有分配器单元、至少一个喷射器和流动调节阀，并且与发动机舱不同的区域形成第二区域，在所述第二区域中设置有压力调节阀，并且优选地也设置有气体存储器。

35、发动机舱在此典型地描述车辆的设置用于容纳发动机舱并且在此优选地在结构上与车辆的其他区域分离的区域。

36、根据本发明还可以提出，设有根据上文中限定的方面中的一个方面的设备的车辆包括发动机、尤其内燃机，其中流动调节阀远离发动机的重心不超过2m地设置。有利地，流动调节阀在此设置在发动机舱处。在这种情况下，典型地可以提出，流体连接装置多件式地设计并且流动调节阀不直接设置在分配器单元处。

37、还可以提出，流体连接装置在压力调节单元与分配器单元之间从第一区域延伸到第二区域中，并且尤其通过柔性管或柔性软管实体化。

38、这是有利的，因为由于流体连接装置呈柔性管或柔性软管的方式的柔性设计方案，典型地由发动机产生的振动不会向上游朝向压力调节单元或气体存储器传递。

39、因此，根据本发明可以提出，第一区域和第二区域通过分离机构彼此分离，以便减少来自两个区域中的一个区域的振动、声波和/或热影响。

40、分离机构在此可以通过车辆的车辆结构形成，但是也可以通过发动机舱的内衬(例如借助吸音垫等)来实现。