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Die Erfindung betrifft eine Brenngaszumischvorrichtung für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine.
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Für eine einwandfreie und schadstoffarme Verbrennung gasbetriebener Brennkraftmaschinen ist eine genaue Zumischung des Brenngases zu durch ein Ansaugrohr der Brennkraftmaschine strömender Luft erforderlich.
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Aus der
AT 502 512 A4 2007-04-15 ist ein als Brenngaseinspritzventil für den Brennraum eines Hubkolben-Gasmotors ausgebildetes Gasdosierventil bekannt, dessen Ventilkörper von einem Elektromagneten betätigt wird und eine Kontur derart hat, dass sich die Querschnittsfläche eines zwischen dem Ventilkörper und einer Durchlassöffnung gebildeten Spaltes linear mit einer Bewegung des Ventilkörpers ändert.
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Aus der
DE 34 10 909 A1 ist ein Stromventil zur Regelung des Luftmassendurchsatzes bekannt, dessen Ventilkörper eine Mantelfläche bzw. Kontur derart aufweist, dass die Querschnittsfläche eines zwischen dem Ventil und einer Durchlassöffnung bei einer Bewegung des Ventilkörpers in Öffnungsrichtung progressiv zunimmt.
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In der
US 6,508,418 B1 ist ein Brenngaszumessventil beschrieben, dessen Ventilkörper in einer sphärischen Fläche endet, die in Schließstellung an einer sich konisch verengenden Sitzfläche anliegt. Die
DE 600 25090 T2 beschreibt ein diesbezüglich ähnlich ausgebildetes Gaszumessventil.
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Die
US 7,621,469 B2 beschreibt ein Gaszumessventil, bei dem das Ventilglied als Kugel ausgebildet ist und in Schließstellung an einem sich kegelförmig verengenden Ventilsitz anliegt.
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Die
US 6,666,193 B2 beschreibt ein Gaszumessventil, dessen Ventilkörper in einer kugeligen Endfläche endet, deren Krümmungsradius gleich dem Krümmungsradius eines Endbereiches einer Sitzfläche ist.
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Aus der
EP 1 336 747 A2 ist ein elektrischer Injektor für Brenngas bekannt, der eine etwa senkrecht zur axialen Richtung eines Saugrohrs einer Brennkraftmaschine in das Saugrohr mündende Brenngaszuleitung aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brenngaszumischvorrichtung für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine zu schaffen, die eine möglichst homogene vorbestimmte Zusammensetzung des einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführten Brenngasluftgemisches ermöglicht.
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Der Anspruch 1 ist auf eine Brenngaszumischvorrichtung zur Lösung der genannten Aufgabe gerichtet.
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Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Brennkraftzumischvorrichtung der in das Saugrohr mündende Auslass als ein Schlitz ausgebildet ist, dessen Längserstreckung etwa senkrecht zur axialen Richtung des Saugrohrs gerichtet ist und aus dem das Brenngas etwa senkrecht zu der durch das Saugrohr strömenden Luftströmung in diese einströmt, wird eine gute Durchmischung beider Strömungen erreicht.
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Mit den Merkmalen des Anspruchs 2 ist es möglich, dass Brenngas bedarfsgerecht zur möglichst genauen Aufrechterhaltung eines vorbestimmten Mischungsverhältnisses, das sich abhängig von der Last der Brennkraftmaschine ändern kann, zuzumischen.
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Der Anspruch 3 kennzeichnet eine vorteilhafte Ausführungsform der Führung der Brenngasströmung vor und bei deren Eintritt in das Ansaugrohr, wobei erreicht wird, dass die Brenngasströmung die Saugrohrströmung weitgehend durchdringt und sich gut mit ihr mischt.
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Die Ansprüche 4 bis 9 kennzeichnen Merkmale der erfindungsgemäßen Brenngaszumischvorrichtung, die für eine genaue Zumischung des Brenngases vorteilhaft sind.
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In den Figuren stellen dar:
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1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Brenngaszumischvorrichtung, geschnitten in einer Längsmittelebene des Saugrohrs,
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2 einen Schnitt durch die Brenngaszumischvorrichtung im Bereich der Einströmung des Brenngases in das Saugrohr, geschnitten senkrecht zur Längsachse des Saugrohrs,
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3 eine perspektivische Ansicht des Einströmbereiches des Brenngases in das Saugrohr bei aufgeschnittenem Saugrohr,
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4 eine perspektivische Ansicht des Ventilkörpers, und
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5 ein Beispiel für die Abhängigkeit des Brenngasdurchsatzes von der Stellung des Ventilkörpers.
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1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Brenngaszumischvorrichtung, geschnitten in einer Längsmittelebene eines Saugrohrs 10 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Das Saugrohr 10 kann ein zu einem einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine führendes Saugrohr sein oder ein Ansaugkrümmer, der mit mehreren Zylindern verbunden ist. Durch das Saugrohr 10 strömt beispielsweise eine Frischluftströmung Φ1, die von der Brennkraftmaschine angesaugt sein kann oder die von einem Lader unter Druck gesetzt sein kann. Die Strömung Φ1 kann nur Frischluft enthalten oder beispielsweise zusätzlich Abgas enthalten, das rückgeführt wird.
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An dem Saugrohr 10 ist ein Gehäuse 12 der insgesamt mit 14 bezeichneten Brenngaszumischvorrichtung befestigt, beispielsweise mit dem Saugrohr 10 verschraubt. In dem Gehäuse ist ein Führungsbauteil 16 angeordnet, in dem ein Ventilkörper 18 längsbeweglich, im dargestellten Beispiel in senkrechter Richtung, geführt ist. Eine Brenngaszufuhrleitung 20 führt in einen Innenraum des Gehäuses 12. Das Führungsbauteil 16 endet in einer in der Bodenwand des Gehäuses ausgebildeten Durchlassöffnung 22, in die ein Dosierendbereich 24 des Ventilkörpers 18 abhängig von dessen Stellung mehr oder weniger weit einragt. Die Durchlassöffnung 22 ist gemäß 1 am oberen Ende einer Strömungsleitfläche 26 ausgebildet, die die Durchlassöffnung 22 mit einem in das Saugrohr 10 mündenden Auslass 28 verbindet.
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Zum Bewegen des Ventilkörpers 18 dient ein Aktor 29, beispielsweise ein Schrittmotor, dessen Ausgangswelle 30 mit dem Ventilkörper 18 verschraubt ist, so dass sich der Ventilkörper bei eines Drehung der Ausgangswelle linear bewegt. Die Drehstellung der Ausgangswelle 30 kann mit einem Drehstellungsgeber 32 erfasst werden.
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In dem Gehäuse 12 ist weiter eine elektronische Steuereinrichtung 34 aufgenommen, der über Leitungen 36 Signale zugeführt werden, wie ein Lastsignal, das die Position eines nicht dargestellten Laststellgliedes zum Einstellen der Last der Brennkraftmaschine anzeigt, das Ausgangssignal des Drehstellungsgebers 32, das Ausgangssignal einer im Abgasstrang (nicht dargestellt) angeordneten Lambdasonde 38, sowie gegebenenfalls weitere Signale, wie die Temperatur der Brennkraftmaschine, der Massenstrom der Saugrohrströmung 41, Druck im Saugrohr 10, usw. Die allgemeinen Funktionen der bisher beschriebenen Funktionsgruppen sind an sich bekannt und werden daher nicht im Einzelnen beschrieben. Die Brenngaszuführleitung 20 ist mit einer Brenngasquelle verbunden, die der Brenngaszuführleitung 20 Brenngas bevorzugt unter konstantem Druck zuführt. Dieses Brenngas 20 wird in einer durch die Stellung des Ventilkörpers 18 und die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Saugrohr 10 und dem Druck des Brenngases 20 bestimmten Menge durch den Auslass 28 hindurch als Brenngasströmung Φ2 etwa senkrecht zur Richtung der Saugrohrströmung Φ1 in diese eingeleitet und von der Saugrohrströmung Φ1 unter Mischung umgelenkt, so dass der Brennkraftmaschine eine Mischströmung Φ3 zugeleitet wird.
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Anhand der nachfolgenden Figuren werden weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Brenngaszumischvorrichtung erläutert.
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Die 2 bis 4 zeigen konstruktive Details:
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2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Dosierendbereiches 24 des Ventilkörpers 18 (1) in einer Schnittansicht ähnlich der 1, aber geschnitten senkrecht zur Längsachse des Saugrohrs 10. Der Dosierendbereich 24 ragt mehr oder weniger weit in die Durchlassöffnung 22 ein, die im dargestellten Beispiel unmittelbar in einer Bodenwand 40 des Gehäuses 12 ausgebildet ist. Die Durchlassöffnung 22 hat einen Abschnitt mit kreiszylindrischem Querschnitt, der über die Strömungsleitfläche 26 in den Auslass 28 übergeht, der in das Saugrohr 10 mündet. Je nach Stellung des Dossierendbereiches 24 relativ zur Durchlassöffnung 22 ist zwischen dem Dossierendbereich 24 und der Durchlassöffnung 22 ein Ringspalt 42 mit einer durch Doppelpfeile angedeuteten Breite b gebildet, durch den das Brenngas einströmt. Die Querschnittsform der in der Darstellung der 2 sich trichterförmig aufweitenden Strömungsleitfläche 26 geht von einem kreisförmigen Querschnitt (geschnitten senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ventilkörpers) in einen schlitzförmigen Querschnitt im Bereich des Auslasses 28 über. 3, die eine perspektivische Ansicht auf den Auslass 28 bei aufgeschnittenem Saugrohr 10 darstellt, zeigt den schlitzförmigen Auslass 28, gesehen durch ein Loch 44 in der Wand des Saugrohrs 10. Die Längsrichtung des Schlitzes 28 ist senkrecht zur axialen Richtung des Saugrohrs 10, so dass aufgrund der sich in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung des Saugrohres aufweitenden Strömungsleitfläche 26 das Brenngas in Form eines sich aufweitenden Fächers 46 bzw. Flachstrahls in die Saugrohrströmung Φ1 (1) einströmt, wobei im Wesentlichen der gesamte Querschnitt des Saugrohrs 10 von der Brenngasströmung Φ2 erfasst wird und sich eine weitgehend homogen gemischte Mischströmung Φ3 ergibt, die in den Brennraum der nicht dargestellten Brennkraftmaschine gelangt. Der schlitzförmige Auslass 28 bildet zusammen mit der Strömungsleitfläche 26 eine Flachstrahldüse.
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Die Kontur bzw. Außenfläche des in 4 beispielhaft dargestellten Dosierendbereiches 24 des Ventilkörpers 18 ist derart, dass der durch den Ringspalt 42 gebildete Durchströmquerschnitt für das Brenngas ausgehend von einem minimalen Wert in einer gemäß 2 unteren Endstellung des Ventilkörpers progressiv, vorzugsweise exponentiell, auf einen maximalen Wert zunimmt, der durch die Querschnittsfläche der Durchlassöffnung 22 definiert ist.
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5 zeigt beispielhaft die Verhältnisse. Auf der Abszisse ist die Anzahl A von Schritten dargestellt, durch die der als Schrittschaltmotor ausgebildete Aktor 29 betätigt wird, wobei bei jedem Schritt der Dosierendbereich 24 aus einer untersten Endstellung gemäß 2 nach oben bewegt wird. A gibt somit auch die Stellung des Ventilkörpers 18 relativ zur Durchlassöffnung 22 in axialer Richtung der Durchlassöffnung an. Der Gesamthub beträgt beispielsweise etwa 8 mm. Die Ordinate gibt den Massenstrom M der Brenngasströmung Φ2, in kg/s an. Der Massenstrom M ist proportional zur Breite b des Ringspaltes 42. Sei angenommen, der Massenstrom M erreiche nach 1.500 Schritten einen maximalen Wert. Bei der Ausführungsform gemäß 5 beträgt der Massenstrom nach 1.000 Schritten 43% des maximalen Wertes und nach 500 Schritten 17% des maximalen Wertes. Wie ersichtlich, nimmt der Massenstrom M mit zunehmender Verstellung des Ventilkörpers progressiv zu, nämlich während der ersten 500 Schritte von einem Minimalwert auf 17% des Maximalwertes, nach weiteren 500 Schritten um weitere 26% auf 43% des Maximalwertes und nach weiteren 500 Schritten um 57% auf den Maximalwert.
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Bei der Steuerung bzw. Regelung der Zumischung der Brenngasströmung zur Saugrohrströmung sind folgende Kriterien zu erfüllen:
- 1. Für eine genaue Lambdaregelung, das heißt Regelung des Verhältnisses des Massenstroms der Saugrohrströmung Φ1 zum Massenstrom der Brenngasströmung Φ2 derart, dass ein vorbestimmter Wert, der von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängen kann, eingehalten wird, ist eine hohe Regelungsgüte, das heißt eine kleine Schrittweite, erforderlich.
- 2. Die Mischströmung Φ3 bzw. der Gesamtmassenstrom muss der Lastanforderung an die Brennkraftmaschine, das heißt der Stellung eines Laststellgliedes, wie einer strömungsoberhalb des Auslasses 28 im Saugrohr 10 angeordneten Drosselklappe, möglichst spontan folgen, das heißt muss innerhalb kurzer Zeit zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert veränderbar sein. Der Brenngasmassenstrom muss diesem Gesamtmassenstrom folgen, das heißt ebenfalls innerhalb kurzer Zeit von einem minimalen Wert auf einen maximalen Wert veränderbar sein.
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Damit das zweitgenannte Kriterium erfüllt wird, kann der Schrittmotor von der elektronischen Steuereinrichtung 34 gesteuert bei entsprechend rascher Änderung der Lastanforderung beispielsweise innerhalb von 50 ms um 1.500 Schritte bewegt werden, so dass eine rasche Anpassung der Brenngasströmung Φ1 an die vom Laststellglied gesteuerte Saugrohrströmung Φ2, beispielsweise Frischluftströmung, möglich ist. Die Veränderung der Brenngasströmung in Abhängigkeit von der Saugrohrströmung erfolgt vorzugsweise gesteuert, indem in der elektronischen Steuereinrichtung 34 die Abhängigkeit der Stellung des Ventilkörpers 18 von dem Laststellglied oder dem Ausgangssignal einer im Saugrohr stromoberhalb des Auslasses 28 angeordneten Massenstrommesseinrichtung abgelegt ist. Der beispielsweise als Schrittschaltmotor ausgebildete Aktor 29 stellt den Ventilkörper entsprechend dieser Vorsteuerung ein, wobei die Stellung des Ventilkörpers von dem Drehstellungsgeber 32 erfasst wird. Der Vorsteuerung der Brenngasströmung überlagert erfolgt in der Steuereinrichtung 34 vorzugsweise eine Regelung der Stellung des Ventilkörpers 18 mit Hilfe des Ausgangssignals der Lambdasonde 38. Weicht das Ausgangssignal der Lambdasonde 38 von einem in der elektronischen Steuereinrichtung 34 abrufbaren Sollwert ab, erfolgt eine schrittweise Verstellung des Ventilkörpers 18 derart, dass die Abweichung möglichst auf Null zurückgeht. Damit eine hohe Regelungsgüte erreicht wird, wird die Schrittweite des Schrittschaltmotors bzw. Aktors 29 bei Regelungsbetrieb im Bereich größerer Brenngasmassenströme verringert. Wie aus 5 ersichtlich, führt eine konstante Schrittweite im Bereich großer Brenngasströme zu einer größeren Änderung des Brenngasmassenstroms als bei kleinen Brenngasmassenströmen. Deshalb wird beispielsweise, sobald der Brenngasmassenstrom Φ2 mehr als 15% des maximalen Brenngasmassenstroms beträgt, der Modus des Schrittschaltmotors von einem Ganzschrittmodus auf einen Halbschrittmodus umgeschaltet, indem die Schrittweite des Schrittschaltmotors halbiert wird. Im Bereich noch höherer Brenngasmassenströme, beispielsweise bei Brenngasmassenströmen größer als 50% des maximalen Stroms kann auf einen Viertelmodus umgeschaltet werden, indem die Schrittweite auf ein Viertel der Schrittweite im Normalmodus vermindert wird. Auf diese Weise lässt sich im Regelbetrieb eine hohe Regelungsgüte erzielen.
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Die vorstehend beispielhaft beschriebene Erfindung kann vielfältig abgeändert werden:
Die nichtlineare Abhängigkeit des Querschnitts des Ringspalts 42 von der Stellung des Ventilkörpers 18 kann auch dadurch erzielt werden, dass der Ventilkörper bzw. dessen Dosierendbereich 24 einen konstanten Querschnitt hat und die Durchlassöffnung 22 in axialer Richtung mit unterschiedlichem Querschnitt ausgebildet ist. Die Strömungsleitfläche 26 muss nicht unmittelbar in der Bodenwand 40 des Gehäuses 12 ausgebildet sein, sondern kann durch ein gesondertes Strömungsleitteil gebildet sein, das in dem Auslass 28 endet.
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Zur Betätigung des Ventilkörpers 18 können unterschiedlichste Aktoren vorgesehen sein, beispielsweise pneumatische oder hydraulische Aktoren, die vorzugsweise aber nicht zwingend als Schrittschaltaktoren arbeiten.
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Die Brenngaszumischvorrichtung ist vorteilhafter Weise insgesamt in dem Gehäuse 12 aufgenommen, so dass sie an jedes vorhandene Saugrohr montiert werden kann, wobei das Saugrohr nur mit einem Loch versehen werden muss. Das Saugrohr muss nicht zwingend einen kreisrunden Querschnitt haben.
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Mit der erfindungsgemäßen Brenngaszumischvorrichtung werden unter anderem folgende Vorteile erzielt:
Das Brenngas kann zwischen Leerlauf und Volllast mit hoher Verstelldynamik verändert werden.
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Eine Lambdaregelung kann in jedem Betriebspunkt mit hoher Genauigkeit erfolgen.
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Das der Brennkraftmaschine zugeführte brennfähige Gasgemisch weist eine gute Homogenität auf.
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Die Vorrichtung ist in einfacher Weise an unterschiedliche Motoren applizierbar, da die Anpassung lediglich über Softwareänderungen erfolgen kann.
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Die Vorrichtung vereint vorzugsweise in einfacher, kompatibler Form die Funktionalitäten Gaszumischung, Gasdosierung zur Frischluft und Gas/Luft-gemischbildung in nur einem Bauteil.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Saugrohr
- 12
- Gehäuse
- 14
- Brenngaszumischvorrichtung
- 16
- Führungsbauteil
- 18
- Ventilkörper
- 20
- Brenngaszuführleitung
- 22
- Durchlassöffnung
- 24
- Dosierendbereich
- 26
- Strömungsleitfläche
- 28
- Auslass
- 29
- Aktor
- 30
- Ausgangswelle
- 32
- Drehstellungsgeber
- 34
- elektronische Steuereinrichtung
- 36
- Leitungen
- 38
- Lambdasonde
- 40
- Bodenwand
- 42
- Ringspalt
- 44
- Loch
- 46
- Fächer
- Φ1
- Saugrohrströmung
- Φ2
- Brenngasströmung
- Φ3
- Gesamtströmung
