用于内燃机中,具体地用于汽车领域的内燃机中燃料气体设备的调压器装置

摘要

描述了一种用于内燃机中，具体地用于汽车领域的内燃机中燃料气体设备的调压器装置(10)，所述装置介于高压下气体的贮罐和用于将所述气体传送至发动机的管线(4)之间。所述装置包括：用于气体减压的至少第一级(1)，其带有相应的气体入口开口(1a)和出口开口(1b)，所述入口开口(1a)与所述气体贮罐流体连通，由所述第一级(2)调节的所述气体的压力是所述装置上游和下游的气体压力之间的中间值；用于气体调压的至少第二级(2)，其类型包括：调节弹性膜片(15)，所述调节弹性膜片(15)置于所述第一级(1)的下游，所述膜片使所述第二级(2)的第一腔室(16)和第二腔室(17)在它们之间分开，所述经调节的气体以所述中间压力供应到所述第一腔室(16)中并且所述气体以预选压力从所述第一腔室(16)输送用于传送至所述发动机。所述第二级(2)带有相应的气体入口开口(2a)和气体出口开口(2b)，来自所述第二级(2)的所述出口开口(2b)与用于将所述气体传送至所述发动机的所述管线(4)流体连通。所述装置还包括与所述装置相关联并且与所述第二调压级(2)并联连接的次级电路，所述电路包括：辅助导管(21)，其被设计来使所述第二级(2)的所述第二腔室(17)与用于将气体传送至所述发动机的所述管线(4)以流体连通的方式连接；阀单元，其包括具有相应活门构件(23)的阀座(22)，和可操作地连接至所述活门构件(23)以便相对于所述阀座(22)控制所述活门构件(23)的电磁致动器(24)，所述致动器(24)由电子控制单元(30)控制，所述电子控制单元(30)根据来自所述装置(10)的出口处的压力值来控制所述活门构件(23)的打开，以便调节所述第二级(2)的所述第一腔室(16)中的气体压力，从而使所述装置的出口处的压力值保持稳定。

说明书

发明领域

本发明涉及用于内燃机中，具体地用于汽车领域的内燃机中燃料气体(例如，甲烷)设备的调压器装置，其具有主权利要求1的前序部分所述的特征。

技术背景

人们长久以来已知，在机动车辆中安装能够向其发动机供应气体的转化设备，由此整体上提供混合供应或提供单一燃料气体的供应。这种类型的设备通常由高压气体贮罐、将气体带到合适的压力用于供应至发动机的减压器/调压器以及用于促进贮罐的装料并确保整个设备的最佳操作的一系列导管和相关附件形成。

如本领域的技术人员所知，调压器是用于被供应燃料气体的发动机的设备的重要部件。调压器必须确保以所需的量和以所需的压力供应燃料气体。具体地说它必须在以下情况下保持输出压力恒定：

-响应于输入压力中渐变的压力变化和突然的压力变化二者；

-在调节器自身的使用寿命期间；

-响应于发动机所需的气流的变化；

-响应于环境温度或在调压器/减压器装置的加热电路的温度中缓慢的或突然的变化。

调压器也必须确保供应对发动机需求是敏感的并且对发动机需求迅速作出响应。调压器的敏感性和精确性对喷射式发动机的供应设备的正确操作是重要的，因为必须将燃料准确地计量到发动机中。

具有弹性膜片以具有一级、二级或三级减压的调压器是为人所知的。这些调节器包括第一级，所述第一级包括借助于第一阀与燃料贮罐连通的第一腔室，所述第一腔室的部分内表面由第一弹性膜片形成。如同第一级，后面的级也包括腔室，其部分内表面由弹性膜片形成。

对于以这种方式设计的调节器来说保证随时间的推移而保持稳定的输出压力是困难的；主要原因如下：

-弹性膜片受温度变化的影响并且温度的增加致使输出压力减小；

-输入压力的变化影响输出压力，尤其在一级减压器中；

-调压受发动机所需的气流的差异影响，尤其当需要高流速时；

-膜片随时间而劣化，丧失了其最初确保正确调压的强度和弹性性质。

具有弹性膜片的常规调节器的又一缺点是从强度和可靠性的观点来看，它们在最新一代的喷射式设备中不能很好地发挥作用，最新一代的喷射式设备中通常存在带膜片的常规调节器不能讯速作出补偿的高精确的过压、脉冲和截止。

在过去已经使用了各种解决方案来解决上文提到的在各种操作条件下稳定压力的问题。

具体地说，已经要么通过由电子控制单元控制来修正喷射时间，要么通过使用恒温器来缩小温度变化范围，或者要么通过使用不同调节技术，例如用金属材料的移动活塞替换膜片功能的活塞技术，解决了由于温度变化引起的压力变化。

已经通过将减压划分成多个级而部分地解决了由于输入压力的变化引起的输出压力的变化；级越多，输入压力值就越独立，但是正如所理解的，调节器的体积、连接件和成本也相应地增加了。作为可选方案，已经通过适当的补偿系统解决了这个问题，如果输入压力变化，所述适当的补偿系统就会防止输出压力发生任何变化。

已经通过替换膜片解决了由于膜片老化而导致的输出压力从所需压力的下降。膜片所经受的极端流体动力条件随着时间的推移限制了它的寿命和性能，使得在车辆预定的公里数之后必需替换掉它，并且/或者需要对调节压力进行手动再校准，所述两种操作给系统的用户带来了成本。作为可选方案，已经研发出了不需要替换部件的活塞调节器。

如上文提及的，这些活塞调压器确实解决了常规膜片调节器的一些典型问题，但是在其它方面却有更差的性能特点。具体地说，对发动机需求作出的响应时间更长，同时具有更差的动态响应和未被膜片吸收的更高的瞬时波动。经济方面也是很显著的，因为活塞调节器成本更高并且要求更复杂的生产技术。

列出的其它解决方案需要采集多个数据并且这些信号的电子处理极大地增加了供应系统的软件和硬件复杂性。所使用的公知的致动器受到高压变化的影响并且因此必定在反映于装置成本中的构造方面更加复杂。

最后，近年来，已经研发出了电子调压器，所述电子调压器的特点是它们根据预定数据例如发动机参数来改变供应给喷射器的压力，以便拓宽燃料流动的范围和提高输出压力的稳定性。这些调节器的主要缺点是它们需要大量的数据，和处理这些数据并且向调节器供应正确的信号以确保输出压力是期望压力的控制算法。同样在此情况下，软件和硬件非常复杂，其直接后果是增加了成本，并且增加了安装时间和问题。调节器的操作所要求的变量也更多，正如这是操作失败的可能原因一样。

发明概要

本发明的目的是提供能够解决上述问题的调压器，但不放弃膜片技术的优点以及常规调节器在部件和安装方面的简易性，从而也确保缩减了成本。

具体地说，本发明的目的是：

-确保响应于外部环境温度变化的稳定的输出压力；

-确保响应于输入压力变化的稳定的输出压力；

-确保响应于所需流动的变化的稳定的输出压力；

-确保随调节器寿命变化的稳定的输出压力；

-保留了膜片技术，进而保留了它提供的优点，避免了费用高昂的维护操作；

-提供了能容易安装的经济的装置；

-提供了使用简单并且不需要采集用于其操作的大量数据，因此减少了其操作失败的可能性的装置。

这些目的通过根据所附的权利要求而体现的调压器装置来实现。

附图简述

参照附图，将在对作为非限制性实例进行说明的优选实施方案的以下描述中进一步详细描述本发明，在附图中：

图1示出本发明的调压器装置的整体图；

图2是图1所示的图中细节的放大比例的局部横截面图。

具体实施方式

参照附图，根据本发明所体现的用于具有由燃料气体供应的发动机的汽车设备的调压器装置整体用10表示。意在将所述装置放置在高压下的气体(例如甲烷)贮罐和发动机之间，二者都没有在图中示出。

所述装置包括经由管线3与加压的燃料气体的贮罐流体连通的第一减压级1；在贮罐中，气体处于压力Pin下。

第一级1中的入口开口和出口开口分别由1a和1b表示。

在第一级1的下游，所述装置包括具有相应的入口开口2a和出口开口2b的第二调压级2。入口开口2a与第一减压级的出口1b流体连通并且出口开口2b例如通过输送管线4与用户装置流体连通。

两个调节级1、2可容纳在同一主体中或者作为可选方案，容纳在所述装置的两个分开的主体中。

在第一减压级1的入口开口1a处设置阀座5，阀座5具有可滑动地导引至所述座和从所述座中导引出来的相应的活门6。这个活门例如可沿着或平行于第一调节级1的主轴滑动。活门构件6可操作地连接至弹性调压膜片7，弹性调压膜片7容纳在第一减压级1的主体中的相应座(示意性地示出并标有参考数字1c)中。

在实施方案中，调节膜片7也可沿着或平行于第一调节级1的主轴移动。在优选的实施方案中，具体地说，活门构件6和调节膜片7彼此同轴。在实施方案中，活门构件6和调节膜片7通过连接销或连接杆8机械地连接。根据上述的结构，弹性膜片7朝活门构件6的方向移动致使活门构件6移动远离相应的座5并且因此打开入口通道1a。

调节膜片7将第一级1的内体积分成前腔室11和后腔室12，入口开口1a和出口开口1b设置在前腔室中。

被设计来在活门构件6的方向上推动膜片7的反向弹簧13容纳在后腔室12中。反向弹簧13根据第一级的期望输出压力(例如在优选实施方案中是4巴)进行校准。

前腔室11也叫“补偿腔室”，因为正是在这个腔室中气体作用于膜片7使得后者与反向弹簧13在气体的期望输出压力(由Pout示出)下达到平衡。这个前腔室11经由出口1b与供来自第一级1的气体使用的出口导管14连通。来自第一级1的气体的输出压力是腔室11中气体的经调节压力P1，例如4巴。

后腔室12借助于弹性膜片7与前腔室11分离，弹性膜片7也确保了两个腔室11、12之间的密封性。后腔室12可与大气流体连通，并且因此它所包含的气体是处于大气压下，或者可与发动机进气歧管(未示出)流体连通，并且因此它所包含的气体是处于所述进气歧管的压力下。

与第一级1类似，第二调节级2也设置在主体2c中(仅示意性地示出)，所述第二调节级2的内体积被弹性膜片15分隔，弹性膜片15限定了第一(前)腔室16和第二(后)腔室17。入口开口2a和出口开口2b设置在第一腔室16中。

第二调节级2的入口2a与第一级1的出口1b和第二级2的腔室16直接流体连通，没有阻截构件的介入。

调节膜片15可操作性地连接至活门构件18，所述活门构件18被设计来阻截第二调节级2的出口开口2b。由活门18接合的座19设置在出口2b处，所述活门可滑动地导引至所述座和从所述座中导引出来。这个活门构件18例如可沿着或平行于第二调节级2的主轴滑动。

调节膜片15可沿着或平行于第二调节级2的主体的主轴移动并且被连接至活门构件18，使得它朝活门构件的移动致使后者被推靠在其自己的座19上并因此关闭出口通道2b。

第二腔室17容纳反向弹簧20，反向弹簧20趋于将膜片15推进到前向位置，即，朝活门构件18的方向。这个反向弹簧13根据使连接至膜片15的阀座19能够打开所期望的压差进行校准。

第一前腔室17也叫“补偿腔室”，因为正是在这个腔室中气体作用于膜片15使得后者与反向弹簧13和与第二腔室中由P3所示的压力在气体的期望输出压力Pout下达到平衡。

根据本发明的主要特征，装置10包括与第二调节级2并联连接的次级电路(伺服辅助调节级的主电路)，如下文将进一步详细描述的。

具体地说，次级电路包括：辅助导管21，其使第二级2的第二后腔室17与用于将气体传送至发动机的管线4以流体连通的方式连接；以及设置在导管21上的阀单元。所述阀单元包括：具有相应的活门23的阀座22，和与活门相关联以用于相对于阀座22控制后者的电磁致动器24。

参照图2，电磁致动器24被构造使得它具有借助于导管部分21与第二后腔室17相连通的入口通道25，和经由其它辅助导管部分21与用于将气体传送至发动机的喷射单元(未示出)的管线4的导管相连通的出口通道26。

入口通道25与腔室27相连通，腔室27设置在电磁致动器的活门构件23后面。所述活门与座22相关联，以便对它施加作用并将它关闭。活门构件23也与反向弹簧28相关联，反向弹簧28通常趋于将活门构件推进到关闭所述座的位置。这样的配置提供了与活门构件23相关联的电子阀，使得当(电磁致动器的)电磁铁不被激发时，反向弹簧28使活门构件23保持在关闭的位置，从而阻截来自第二腔室17的流体流。

通过提供电磁铁可单独地打开阀座22。这致使活门构件23移位并因此打开阀座22。当打开阀座22时，流体流进导管4中。

根据本发明，致动器24由电子控制单元30控制，电子控制单元30根据来自所述装置的出口处的压力值来控制活门构件23的打开，以便调节第二级2的第二腔室17中的气体压力，从而使所述装置的出口处的压力值保持稳定。

所述控制单元被设计来将致动控制发送至电子阀22-24，电子阀22-24的控制是根据分析或对在装置下游例如由定位在喷射单元中的压力传感器所检测的压力值Pout与期望输出压力值(例如优选值等于2巴)的比较来进行致动。所述压力传感器检测压力并且将表示所检测的压力的信号提供给控制单元。

第二级2的第二腔室17也经由(例如穿过膜片15的)通孔31与相应的第一腔室16流体连通。如将在下文更加详细地描述述的，孔31被选择为具有幅度低于次级电路中最小通道横截面的横截面，以便确保系统正确地运行。

当装置10不工作和/或气流为零时，入口通道1a的阀座5处于关闭状态，因为膜片7被腔室11中的压力P1保持在它的平衡位置，在这些情况下，所述压力P1就是设定的第一级1的调节压力(例如4巴)。在这些情况下，因为腔室11连接至腔室16并且后者又进而连接至腔室17，腔室17又进而连接至腔室27，所以这些腔室中的压力是相同的，即，为P1。阀座19处于关闭状态，因为反向弹簧20的力作用于膜片15，膜片15进而机械地连接至活门构件18。阀座22保持关闭状态，因为活门构件23由反向弹簧28(相对于座)被推进到前向位置，并且电子阀22-24未被激活。

因此，当将系统致动时，电子阀22-24被激活并因此使致动器24的活门构件23能够打开，导管的打开使来自腔室17的气体的通道能够进行使用，并且因此腔室17中的气体压力P3下降。如上文所提及的，在两个腔室16、17之间的通孔31的面积是小于次级电路中的最小通道面积，使得有可能在腔室16、17之间产生压差，这有利于后者，所述压差使得座19能够通过来自第二级2的供应气体而被打开。实际上，这个压力使膜片15朝收缩位置移动，直到与弹簧20的力和第二(后)腔室17中的压力达到平衡，第二(后)腔室17中的压力被适当地调节以供应作为输出的期望压力。在这个平衡条件下，膜片15处在中间位置；因此活门构件18也相对于它的座19朝收缩位置移动，从而打开座。

气体在经调节压力P2(2巴)下流过导管4，到达喷射单元。

类似地，在系统的操作期间，作用于膜片15的力之间的平衡保证了作为输出的期望压力P2。具体地说，作用于膜片15的后面(例如膜片的面向腔室17的表面)的力由压力P3以及弹簧20产生。这个压力P3由致动器24控制，致动器24进而由控制单元根据压力信号Pout来控制；这个压力P3是变化的以便将输出压力保持在期望值。

所述移动构件的这种运动学布置使得有可能在活门构件18和相对的密封阀座19之间设置恰当的相对定位，因此确保使气流处于在发动机整个操作范围内对其供应所需要的恒定压力下。

例如，压力Pout相对于期望值2巴下降至1.5巴由电子控制单元读取，所述电子控制单元通过延长活门构件23的打开来控制致动器24，以便降低压力P3，压力P3使穿过座19的通道打开得更大，以便增加压力Pout并将它保持在2巴的期望值。因此所述压力的控制与补偿是仅直接地基于压力信号Pout执行的；这意味着对于以上列出的任一原因(膜片的老化、温度上升等)而言，如果压力Pout发生变化，即上升或下降，它就立即被补偿，从而在所有的工作条件中提供调节系统的最佳稳定性。

具体地说，如果出口通道中的气体压力低于预定值，第二级的膜片就会根据第二腔室17中的压降而被推靠在弹性装置20上，并且活门构件18因此打开出口2b处的通道。

还应理解，如果在操作过程中P2与P3之间的压差非常低，这就意味着在腔室17与管线4之间的气流也非常低。就像在已知的电子调压器装置中一样，次级电路和致动器24的任务实际上不是确保某一流速，而是改变压力P3，从而使得可能获得尺寸较小且构造更简易并因此更廉价和更可靠的电路和致动器24。

应强调的优点是，在以这种方式设计的装置中，不需要设置在高压导管中的输入电子阀，因为致动器的电子阀22-24代替了它的功能，即当将它关闭时，所作用的压力使得活门构件6和活门构件18二者保持在关闭的位置。

所述装置因此能够使期望输出气体压力例如2巴保持稳定。在另一实施方案中，除了压力信号Pout之外，电子控制单元还处理其它特征性数据，例如一个或多个以下参数：发动机的旋转速度、设置在发动机中的气体喷射器的打开时间、燃烧空气流量、发动机扭矩需求。根据这些数据，可将控制供应至致动器24以便使压力Pout变化至另一个期望值，例如3巴，并使它保持稳定。

这第二个期望值可具有由第一级调节为最大值的压力P1值。

还应理解，控制单元30可有利地设置有用于控制致动器24的装置，以便使来自装置10的出口压力变化到预选的许多期望值，即根据预定义的函数或曲线。

另外，在另一实施方案中，致动器24借助于通过电子控制调整的可变电流来进行控制。在这种情况下，来自所述装置的输出压力例如可与平均电流成比例。

因此，本发明实现了所限定的目的并且提供了相对于已知解决方案的上述优点。