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Die Erfindung betrifft ein Gasladeventil, insbesonders als Brennstoffeinspritzventil für Gasmotoren, mit einem durch elektronische Ansteuerung betätigbaren Dichtelement zwischen dem oder jedem Brennstoffzulauf und dem oder jedem Brennstoffablauf.
Beispielsweise im Erdgastransport als auch in der chemischen Industrie werden grossvolumige Erdgasmotoren für die Verdichtung von Erdgas und Prozessgasen verwendet. Diese Motoren arbeiten zum grössten Teil nach dem Zweitakt-Verfahren. Gegenwärtig wird das als Brennstoff dienende Gas, beispielsweise Erdgas, direkt in den Brennraum dieser Motoren durch mechanisch betätigte Gasladeventile dosiert. Das Brenngas wird bei relativ geringem Druck, etwa bei 1 bis 3 bar Überdruck über dem Saugdruck, eingeblasen. Das bedingt, dass die Einblasung gegen Ende des Ladungswechsels bis zum Beginn der Kompressionsphase erfolgen muss. Bei zu frühem Beginn kann ansonst unverbranntes Gas in den Auspuff gelangen, was zu hohen Kohlenwasserstoff-Emissionen führt und gleichzeitig erhöhten Kraftstoffbedarf bedingt.
Bei zu spätem Schliessen des Gasladeventils wiederum wird Gemisch in das Gassystem zurückgedrückt, was zu schlechter Dosiergenauigkeit und damit zu Fehlzündungen führen kann.
In der Regel erfolgt die Steuerung der Gasladeventile über eine Nockenwelle, so dass bei gegebener Drehzahl die Einblasedauer fest vorgegeben ist und die Brennstoffmenge durch Regelung des Einblasedrucks dosiert wird. Um die Brennstoffmenge dem unterschiedlichen Brennstoffbedarf der einzelnen Zylinder anzugleichen, welcher sich beispielsweise durch ungleiche Ansaugluftmengen ergibt, oder die ungleiche Verteilung des Gases auf die Zylinder in den Brennstoffzuleitungen auszugleichen, werden vor den Gasladeventilen Drosselventile eingebaut. Diese werden im allgemeinen manuell derart eingestellt, dass die Leistung aller Zylinder gleich gross ist, was etwa durch Messung des Verbrennungsspitzendruckes beurteilt werden kann.
Bei den gegenständlichen Motoren erfolgt jedoch eine schlechte Mischung des Verbrennungsgemisches mit instabiler Verbrennung, Neigung zu Fehlzündungen, schlechtem Wirkungsgrad und hohen Emissionen. Ausserdem ist der Ausgleich der Brennstoffverteilung nur sehr langsam und aufwendig durchführbar. Bei Teillast verschlechtert sich das Verhalten der besagten Motoren zusätzlich, weil durch den geringeren Einblasedruck die Eindringtiefe des Brennstoffstrahles in den Zylinder abnimmt und zu einer geringeren Vermischung führt. Zusätzlich wird auch noch das mittels der Einstellventile für einen bestimmten Betriebszustand eingestellte Verteilungsschema zur Vergleichmässigung der Zylinderleistung verstellt.
Daher werden neuerdings elektronisch angesteuerte, hydraulisch betätigte Gasladeventile verwendet, wobei die Regelung der Motorenleistung über die Variation der Einblasedauer bei konstantem Einblasedruck erfolgt. Die elektronische Ansteuerung erlaubt eine exakte Anpassung der Brennstoffmenge für jeden Zylinder und jeden Lastfall. Darüberhinaus ist die Eindringtiefe des Gasstrahles konstant, was zu verbesserter Verbrennung bei Teillast führt. Die Einblasung des Brenngases kann sogar bei sehr hohem Druck von zwischen 20 und 50 bar erfolgen. Dadurch kann die Einblasedauer entscheidend verlängert werden, was zu einer gleichmässigeren Verteilung des Gases führt, weil der Druck des Gases während der gesamten Kompressionsphase über dem Zylinderdruck liegt. Ferner dringt der Gasstrahl tiefer ein, was die Gasdurchmischung ebenfalls deutlich verbessert.
Ein entscheidender Nachteil der hydraulisch betätigten Ventile ist der zusätzliche Aufwand für das Hydraulikaggregat und die erforderliche Verrohrung.
Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein vorzugsweise möglichst einfach aufgebautes und klein bauendes Gasventil zu schaffen, das die oben angeführten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und bei der Brennstoffmengen-Regelung über die Einblasedauer des Brenngases die sichere und exakte Abdichtung des Brennraumes des Zylinders gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass einem durch elektronische Ansteue-
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rung betätigbaren Steuerventilteil ein Rückschlagventilteil nachgeschaltet ist und den Brennraum eines Zylinders gegen das Gaszuteilsystem abdichtet. Solange das stromauf des Rückschlagventils angeordnete Steuerventil geschlossen ist, wird das Rückschlagventil ebenfalls geschlossen gehalten, dichtet das Gaszuteilsystem zuverlässig gegen den Brennraum des Zylinders ab und schützt so auch das Steuerventil vor den dort herrschenden Bedingungen.
Ausserdem wird das Zurückdrücken von unverbranntem Gas in das Gaszuteilsystem weitestgehend unterbunden. Wenn das Steuerventil dagegen geöffnet wird, erhöht sich der Gasdruck zwischen Steuerventil und Rückschlagventil, und das Rückschlagventil wird durch diesen anliegenden Gasdruck geöffnet. Dabei sollte der Spaltquerschnitt vorteilhafterweise so gewählt werden, dass am Rückschlagventil der grösste Teil des Differenzdruckes zwischen Gaszuleitung und Brennraum anliegt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Brenngas mit grösstmöglichem Impuls und damit grösstmöglicher Eindringtiefe eingeblasen wird.
Sobald das Steuerventil wieder schliesst, entweicht das sich im Raum zwischen Steuerventil und Rückschlagventil befindliche Gas, und der Druck in diesem Raum sinkt solange, bis das Rückschlagventil schliesslich ebenfalls schliesst. Um unzulässig grosse zeitliche Verzögerungen zwischen dem Schliessen des Steuerventils und dem des Rückschlagventils zu vermeiden, muss das Volumen des Raumes zwischen diesen Ventilen hinreichend klein gehalten werden, vorteilhafterweise so klein, wie es die Bauart der Ventile erlaubt. Auch die ausreichend schnelle Aufeinanderfolge der Öffnung beider Ventile ist durch die Einhaltung dieser Bedingung garantiert.
Um die Funktion des Rückschlagventils bei einfacher Bauweise sicher gewährleisten zu können, ist das Rückschlagventil vorzugsweise durch ein Federelement in Schliessrichtung belastet.
Vorteilhafterweise weist das Rückschlagventil auch eine Hubbegrenzung auf, sodass die maximale Öffnung des Rückschlagventils begrenzt und während des Einblasvorganges weitestgehend konstante Bedingungen für die Formung des Brennstoffstrahles gewährleistet sind.
Um eine möglichst kompakte Bauweise des Gasladeventils zu erzielen und trotzdem die exakte Ansteuerung sicherzustellen, ist gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass das Steuerventil als Magnetventil mit einem über den Anker eines ansteuerbaren Elektromagneten betätigbaren Dichtelement ausgeführt ist. Damit können alle baulich und apparativ aufwendigen hydraulischen Aggregate und Leitungen vermieden werden.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Steuerventil als Flachsitzventil mit einem ebenen Ventilsitz und einem Dichtelement mit zumindest einer, diesem Ventilsitz zugewandten ebenen Dichtfläche ausgeführt. Mit dieser Konstruktion lassen sich hohe Ventilquerschnitte bei sehr kleinen Schaltzeiten verlässlich und sicher schalten, so dass sich mit einem derartigen Gasventil auch bei Leerlaufdrehzahl bzw. bei Teillast die notwendigen kurzen Steuerzeiten mit hoher Genauigkeit erzielen lassen.
Um das zuverlässige Schliessen des Rückschlagventils zu überwachen, ist gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass ein Temperaturfühler in die Wandung des Ventils zwischen dem Steuerventilteil und dem Rückschlagventilteil eingesetzt ist. Falls das Hauptventil, aus welchen Gründen auch immer, nicht vollständig schliesst, treten heisse Verbrennungsgase in den Raum zwischen den beiden Ventilteilen ein und erwärmen diesen über die sonst herrschende Gleichgewichtstemperatur. Überschreitet also der über den Temperaturfühler ermittelte Wert einen entsprechenden Grenzwert, so bedeutet diese mit höchster Wahrscheinlichkeit das Rückschlagen der Verbrennungsgase in das Gasladeventil und die Undichtheit des Rückschlagventils.
Um auch die Dichtheit des Steuerventilteils zu überwachen, ist gemäss einem weiteren Erfindungsmerkmal ein Drucksensor mit dem Raum zwischen dem Steuerventilteil und dem Rückschlagventilteil verbunden. Bei geschlossenem, aber undichten Steuerventil steigt der Druck im Raum zwischen den beiden Ventilen solange an, bis das Rückschlagventil schliesslich öffnet. Wenn also der Druck einen geeignet gewählten Sollwert zwischen dem Öffnungsdruck des
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Rückschlagventils und dem Gleichgewichtsdruck im Raum zwischen den Ventilen überschreitet, deutet dies auf eine Undichtheit des Steuerventils hin.
Wenn gemäss einer besonderen Ausführungsform der Erfindung zumindest eine Einrichtung zur Kompensierung des auf das Dichtelement einwirkenden Differenzdruckes mit dem Dichtelement verbunden ist, ist das Gasladeventil auch für höhere Einblasdrücke über den heute üblichen Gasdrücken von etwa 1 bis 3 bar über dem Saugdruck geeignet. Durch die Kompensation der am Dichtelement des Steuerventils angreifenden Druckkräfte des Brenngases, vorzugsweise mittels eines fest mit dem Dichtelement verbundenen Ausgleichskolbens, auf den ebenfalls der Brennstoffdruck einwirkt, kann die Resultierende der am Dichtelement angreifenden Druckkräfte auf Null eingestellt werden.
In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand von eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt dabei ein erfindungsgemässes Gasladeventil in schematischer Darstellung, Fig. 2 zeigt Diagramme des Druckes zwischen den Ventilen während der Einblasphase und des zeitlichen Verlaufes der Bewegung des Steuer- und Rückschlagventils, und Fig. 3 zeigt eine spezielle Ausführungsform eines erfindungsgemässen Gasladeventils für höhere Brenngasdrücke im Längsschnitt.
In der Fig. 1 ist die grundlegende Konstruktion des erfindungsgemässen Gasladeventils dargestellt. Es besteht aus einem Steuerventilteil S, dem ein Rückschlagventil R nachgeschaltet ist.
Das Steuerventil S ist in Verbindung mit dem Gaszuleitungssystem G, in dem typischerweise Drücke pGas von etwa 1 bis 3 bar über dem Saugdruck des Zylinders Z herrschen, in dem aber bei druckausgeglichener Bauweise des Ventils (siehe Fig. 3) auch Brenngasdrücke zwischen 20 bis 50 bar über dem Saugdruck vorgesehen sein können. Der Brennraum des Zylinders Z wird vom Rückschlagventil R abgedichtet, das bei Öffnen des Steuerventils S und Ansteigen des Druckes p1 im Raum I zwischen den beiden Ventilen S und R über den Öffnungdruck des Rückschlagventils R ebenfalls öffnet.
Die Fig. 2 zeigt Diagramme des zeitlichen Verlaufes des Druckes im Raum I zwischen den beiden Ventilen R und S und der Bewegungen der beiden Ventils S und R. Zu Beginn der Einblasphase öffnet zuerst das Steuerventil S, was durch den Anstieg im mittleren Diagramm der Fig. 2 erkennbar ist. Dadurch steigt der Druck p1 im Raum I zwischen den beiden Ventilen R und Z rasch bis über den Öffnungsdruck pR des Rückschlagventils R an, da aufgrund der Trägheit das Ventil nicht sofort bei Erreichen des Öffnungdruckes öffnet, sondern erst kurz danach, wie aus dem untersten der Diagramme der Fig. 2 zu erkennen ist. Danach stellt sich ein Druck im Raum I ein, der zwischen dem Öffnungsdruck pR des Rückschlagventils R und dem Druck pGas im Gaszuleitungssystem G liegt.
Gegen Ende der Einblasphase schliesst das Steuerventil S und mit kurzer Zeitverzögerung auch das Rückschlagventil R, wie die beiden abfallenden Linien in den beiden unteren Diagrammen der Fig. 2 erkennen lassen. Aufgrund der besagten trägheitsbedingten Verzögerung des Rückschlagventils R kann das Brenngas auch noch nach dem Schliessen des Steuerventils S in den Brennraum des Zylinders Z strömen, so dass der Druck darin schliesslich auf einen Wert unter dem Öffnungsdruck pR abfällt.
In Fig. 3 ist ein erfindungsgemässes Gasladeventil für hohe Brenngasdrücke dargestellt, dessen Steuerventil S ein Magnetventil mit einem Ventilkörper 1 und einer auf ein Aussengewinde dieses Ventilkörpers 1 aufgeschraubten Magnetspannmutter 2 besteht. Der Ventilkörper 1 enthält den vorzugsweise im wesentlichen ebenen Ventilsitz 3 mit zumindest einer, vorzugsweise für grosse Ventilquerschnitte mehreren, ebenen Dichtleisten mit im wesentlichen kreisförmiger Ausführung. Selbstverständlich können auch andere Ventilarten eingesetzt werden, beispielsweise Kugel- oder Nadelventile, die beispielsweise auch hydraulisch oder mechanisch betätigt werden können.
Der gasförmige Brennstoff bzw. das brennfähige Gemisch, beispielsweise Erdgas, Flüssiggas oder auch Wasserstoff, tritt durch Anschlussstücke des Gaszuleitungssystems G und zumindest
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einen vorzugsweise radialen Brennstoffzulauf 4 des Steuerventils S in zumindest einen, vorzugsweise ringförmigen Zulaufraum 5 im Ventilkörper 1 ein, wobei aber auch andere Eintrittsstellen oder Eintrittsrichtungen möglich sind.
Der Öffnungs- und Schliessvorgang wird durch einen Zentralbolzen 6 bewirkt, der das im geschlossenen Zustand des Ventils S auf dem Ventilsitz 3 aufliegende Dichtelement 7 trägt. Eine Schliessfeder 8 wirkt auf das Dichtelement 7 ein, das in seinem zentralen Bereich den Zentralbolzen 6 hülsenförmig umgibt.
Der Zentralbolzen 6 ist unter allfälliger Zwischenlage von Distanzblechen 9 zum Toleranzausgleich durch vorzugsweise ein Verschraubung 10 mit einer in einem Distanzstück 11 geschützt angeordneten Ankerplatte 12 aus magnetisierbarem, relativ weichem Metall verbunden. An der Unterseite dieser Büchse 11 stützt sich auch die Schliessfeder 8 ab.
Das Ventilgehäuse 1 weist eine innere Abkantung 13 auf, an welcher Anschlagbereiche des Dichtelementes 7 zum Anschlag kommen, wenn sich die Ankerplatte 12 in ihrer dem Elektromagneten 14, vorzugsweise einem Topfmagneten, nächsten Stellung befindet. Der Elektromagnet 14 wird - gesteuert über die Elektronik des Einspritzsystems - über die AnschlussGewindestifte 15 mit Strom versorgt, der über den Stecker 16 zugeleitet wird.
Damit die Zeiten für Öffnen und Schliessen des Ventils im wesentlichen, vorzugsweise genau gleich und auch für alle im System vorkommenden Drücke - auch für hohe Brenngasdrücke zwischen 20 und 50 bar über dem Saugdruck des Zylinders Z - gleich exakt einhaltbar sind, ist als Einrichtung zur Kompensierung des Differenzdruckes am Dichtelement 7 ein Ausgleichskolben 17 vorgesehen. Dessen Druckangriffsfläche entspricht vorzugsweise genau jener des Dichtelementes 7, so dass der am Dichtelement 7 angreifende Differenzdruck vollständig kompensiert werden kann.
Um die Kraft am Ausgleichskolben 17 zu im wesentlichen jedem Zeitpunkt gleich gross und entgegengesetzt orientiert zur durch den Differenzdruck hervorgerufenen Kraft am Dichtelement 7 einzustellen und derart sowohl das Öffnen als auch das Schliessen des Ventils S durch die Resultierende der Schliessfeder- und Magnetkraft zu beeinflussen, sind Gaspassagen vom Brennstoffablauf 18 und/oder Raum I zwischen den Ventilen S und R und/oder einem anderen Bereich mit dem dort herrschenden Druck in einen Ausgleichsraum 20 auf der gegenüberliegenden Seite des Ausgleichskolbens 17 vorgesehen. Im vorliegenden Fall ist dies die dem Dichtelement 7 gegenüberliegende Seite des Ausgleichskolbens 17.
Diese der Überströmung dienenden Gaspassagen sind im vorliegenden Fall vorteilhafterweise durch eine Zentralbohrung 21 im Zentralbolzen 6 mit radialen Ausströmöffnungen 22 in den Ausgleichsraum 20 und entsprechende radiale Öffnungen 23 im buchsenförmigen Teil des Ausgleichskolbens 17 realisiert. Für das Öffnen des Ventils muss der Elektromagnet 14 daher nur die Kraft der Schliessfeder 8 und die Massenträgheit der Ankerplatte 12, der Distanzbleche 9, des Zentralbolzens 6, des Ausgleichskolbens 17 und des Dichtelementes 7 selbst überwinden. Der Ausgleichskolben 17 umgibt den Zentralbolzen 6 als im wesentlichen scheibenförmiger Bauteil, der mittels eines umlaufenden Dichtringes 19 gegenüber dem ihn führenden Ventilgehäuse 1 abgedichtet ist und damit auch gleichzeitig den Zentralbolzen 6 und das Dichtelement 7 im Ventilgehäuse 1 zentriert führt.
Die Schliessfeder 8 wirkt auf den Ausgleichskolben 17 ein und damit mittelbar auch auf den Zentralbolzen 6 und das Dichtelement 7. Eine Ausgleichsfeder 24, vorgespannt zwischen Dichtelement 7 und Ausgleichskolben 17, hält den Ausgleichskolben 17 immer unmittelbar an der Ankerplatte 12 bzw. den Distanzblechen 9 anliegend.
Dichtungen 25 an der Aussenseite des Ventilgehäuses 1 des Steuerventils S gewährleisten den dichten Einbau vorzugsweise direkt in das Gehäuse 26 des Rückschlagventils R, obwohl selbstverständlich auch eine getrennte Anordnung beider Ventilteile S und R mit einer Verbindungsleitung dazwischen möglich ist. Um allerdings die Verzögerung der Zeitpunkte des Öffnens bzw. Schliessens der beiden Ventile nicht unannehmbar gross werden zu lassen, müssen die beiden Ventile S und R so nahe wie möglich hintereinander angeordnet sein, d. h. der Raum I zwischen den Ventilen ist vorteilhafterweise so klein als möglich.
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In diese Gehäuse 26 ist ein Ventilelement 27 axial verschiebbar eingesetzt, das aus einem länglichen Schaft 28 und einem im wesentlichen kegelförmigen Dichtelement 29 besteht. Das Rückschlagventil R ist dabei vorzugsweise als Tellerventil ausgeführt, wie es auch in ViertaktVerbrennungsmotoren verwendet wird. Der Hub des Ventils R wird dabei durch einen zylindrischen Distanzring 30 begrenzt. Zwischen diesem Distanzring 30 und dem Federteller 31 des Ventils R ist auch die Schliessfeder 32 eingespannt. Der Schaft 28 des Ventilelementes 27 ist mittels der Gleitbuchse 33 im Führungsabschnitt 34 des Rückschlagventils R verschiebbar gelagert.
Das Brenngas gelangt vom Steuerventil S durch den Raum I über Verbindungspassagen 35 zum Ventilsitz 36 des Rückschlagventils R, auf dem das kegelförmige Dichtelement 29 im geschlossenen Zustand dichtend aufliegt und so den dahinterliegenden Brennraum des Zylinders Z sicher und exakt vom Gaszuteilsystem G trennt.
Nicht in den Zeichnungsfiguren dargestellt ist der Drucksensor, der beispielsweise über eine Bohrung 36 mit dem Raum I in Verbindung gebracht werden kann, um die Dichtheit des Steuerventils S zu überwachen. Wenn sich in der - von der vorzugsweise elektronischen Steuerung gemeldeten - geschlossenen Stellung des Steuerventils S ein Druckanstieg über den normalerweise im Raum I herrschenden Druck p1 feststellen lässt, deutet dies auf eine Undichtheit im Ventil S und unerwünschtes Eindringen von Brenngas aus dem Gaszuteilsystem in den Raum I hin, was bis zum Aufbau des Öffnungsdruck des Rückschlagventils R und unkontrollierten Einblasen des Brenngases in den Zylinder Z führen kann.
Um die Dichtheit des Rückschlagventils R zu überwachen, ist dagegen ein Temperaturfühler 37 in der Wand des Gehäuses 26 des Rückschlagventils R vorgesehen. Wenn dieses Rückschlagventil R nicht dicht ist, werden Verbrennungsgase aus dem Zylinder Z in den Raum I zurückgedrückt und führen zu einer Erhöhung der darin herrschenden Temperatur, was über den Temperaturfühler 37 festzustellen ist.
Patentansprüche : 1. Gasladeventil, insbesonders als Brennstoffeinspritzventil für Gasmotoren, bestehend aus einem Steuerventilteil (S) und einem zwischen Steuerventilteil (S) und beispielsweise dem
Brennraum zumindest eines Zylinders (Z) angeordneten, diesen Raum abdichtenden
Rückschlagventilteil (R), dadurch gekennzeichnet, dass ein allein durch elektronische An- steuerung in Öffnungsrichtung betätigbarer und zumindest durch den Brennstoffdruck im
Gaszuteilsystem (G) in Schliessrichtung beaufschlagter Steuerventilteil (S) steuerungstech- nisch unabhängig vom Rückschlagventilteil (R) vorgesehen ist.