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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gesteuerten Freigeben eines Strömungsquerschnitts einer mit einem Brennraum eines Gasmotors verbundenen Gasleitung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch einen Gasmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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In Gasleitungen, welche zu einer Vorkammer eines Gasmotors führen, wird in der Regel ein druckgesteuertes Rückschlagventil verbaut. Ist der Druck auf der von der Vorkammer abgewandten Seite des Rückschlagventils größer als der Druck auf der, der Vorkammer zugewandten Seite – dieser Druck entspricht im wesentlichen dem Druck in der Vorkammer – so hält eine aufgrund der Druckdifferenz vorherrschende Druckkraft das Rückschlagventil geöffnet, meistens entgegen der Wirkung einer Federkraft. Der Strömungsquerschnitt der Gasleitung ist damit freigegeben, und es wird Gas in die Vorkammer befördert.
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Steigt die das Rückschlagventil beaufschlagende Kraft, nämlich die Summenkraft aus Federkraft und der vom Druck in der Vorkammer ausgeübten Druckkraft über die Druckkraft an, die vom zugeführten Gas ausgeübt wird, schließt das Rückschlagventil und ein Rückströmen von Fluid in die Gasleitung wird verhindert. Diese Situation stellt sich beim Kompressionstakt des Gasmotors ein, der sich in der Hauptbrennkammer einstellende Kompressionsdruck setzt sich in die Vorkammer fort und das Rückschlagventil wird von der sich einstellenden Druckkraft geschlossen, eine Rückströmung in die Gasleitung wird verhindert.
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Bei einem Gasmotor mit einer Vorkammer wird die Zündung des Gasgemisches in der Vorkammer des jeweiligen Zylinders eingeleitet und die sich ausbreitende Flammenfront entzündet auch das Gasgemisch in der Hauptbrennkammer des Zylinders.
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Ein Rückschlagventil, welches Teil einer Einspritzanlage darstellt, ist beispielsweise aus der Druckschrift
GB 2 172 652 A bekannt.
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In der Praxis werden als Rückschlagventile oft Kugelventile eingesetzt, bei denen eine innerhalb einer Bohrung angeordnete Kugel entgegen der Wirkung einer Feder von einer Druckkraft verschoben wird. Kugelventile sind relativ einfach aufgebaut und kostengünstig zu produzieren. Kugelventile weisen aber den Nachteil auf, dass ein hoher Verschleiß an den Flächen innerhalb der Bohrung auftritt, an welchen die Kugel aufgrund von Krafteinwirkungen aufschlägt. Ein im Hinblick auf diesen Nachteil verbessertes Kugelventil ist aus der Druckschrift
US 2003/0127140 A1 bekannt. Die Kugel des in der genannten Druckschrift beschriebenen Kugelventils wird in der Bohrung so geführt, dass weniger ungewollte Bewegungen aufgrund von Bewegungsspielraum innerhalb der Bohrung auftreten, und damit die Kugel und die Flächen innerhalb der Bohrung weniger schnell abgenutzt werden.
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Sowohl das Kugelventil, welches in der genannten Druckschrift offenbart ist, wie auch andere bekannte Rückschlagventile, zeigen aber erhebliche Verschleißprobleme. Dies gilt insbesondere für in Gasmotoren eingesetzte Rückschlagventile, da diese meist direkt benachbart zu einem Brennraum angeordnet sind und somit sehr hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Aufgrund der in der Nähe eines Brennraums vorherrschenden sehr hohen Temperaturen dehnen sich Bauteile, wie beispielsweise ein Trägerkörper des Rückschlagventils beim Betrieb des Gasmotors aus. Um die thermische Ausdehnung auszugleichen, sind gängige Rückschlagventile oft mit einem Weicheisendichtring ausgestattet, der zur Aufnahme von infolge der thermischen Ausdehnung entstehender Kräfte vorgesehen ist.
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Weicheisendichtringe werden infolge der einwirkenden Kräfte plastisch und damit irreversibel deformiert. Sie weisen damit einen sehr schnell eintretenden Verschleiß auf und müssen oft ausgewechselt werden. Dies bedeutet, dass die dadurch bedingten Wartungsintervalle der Gasmotoren auch entsprechend kurz sind. Meist sind Weicheisendichtringe nämlich tief in der Vorkammer eines Gasmotors angeordnet. Deshalb ist es zum Auswechseln eines solchen Weicheisendichtrings notwendig, die gesamte Vorkammer auszubauen und anschließend wieder einzubauen. Dies macht das Auswechseln eines Rückschlagventils oder auch nur eines Weicheisendichtrings extrem aufwendig.
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Ein weiterer Nachteil gängiger Rückschlagventile besteht außerdem darin, dass sie sehr schnell undicht werden, zumal der Verschleiß an einem Weicheisendichtring sehr schnell auftritt. Dies führt wiederum dazu, dass Verschmutzungen und Verkokungen innerhalb der zu einer Vorkammer führenden Gasleitung auftreten.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Freigeben des Strömungsquerschnitts einer mit der Vorkammer eines Gasmotors verbundenen Gasleitung zu schaffen, welche weniger verschleißanfällig ist als die bekannten Vorrichtungen, welche weniger häufig gewartet, beziehungsweise ausgewechselt werden muss, und bei der auszuwechselnde Bauteile einfach zugänglich sind.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen beschrieben. Ein mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteter Gasmotor ist in dem unabhängigen Anspruch 9 beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum gesteuerten Freigeben eines Strömungsquerschnitts einer mit einem Brennraum eines Gasmotors verbundenen Gasleitung weist ein Rückschlagventil mit einer elastischen Einrichtung auf, wobei die elastische Einrichtung zur Aufnahme einer infolge einer thermischen Ausdehnung des Rückschlagventils auftretenden Kraft vorgesehen ist. Mit der Vorrichtung wird der Strömungsquerschnitt für die Zufuhr von Gas in den Brennraum, insbesondere die Vorkammer eines Gasmotors freigegeben und abgesperrt, bevor Verbrennungsrückstände oder Gas aus der Vorkammer in die Gaszuführleitung zurück strömen können.
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Wenn sich das Rückschlagventil stark erhitzt, und es zur thermischen Ausdehnung kommt, nimmt die elastische Einrichtung auftretende Kräfte auf, indem eine elastische Deformation eintritt. Sie unterscheidet sich damit von gängigen Einrichtungen zur Aufnahme von infolge einer thermischen Ausdehnung des Rückschlagventils auftretenden Kräften, also beispielsweise von einem Weicheisendichtring, dadurch, dass die Deformation nicht plastisch, sondern elastisch stattfindet. Die Deformation der elastischen Einrichtung ist damit reversibel, und die elastische Einrichtung ist weitaus weniger verschleißanfällig. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung muss deshalb weitaus weniger oft als eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik gewartet, beziehungsweise ersetzt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die elastische Einrichtung als Tellerfedereinrichtung ausgebildet. Die Tellerfedereinrichtung weist eine oder mehrere Tellerfedern auf. Falls sie mehrere Tellerfedern aufweist, sind diese außerdem beispielsweise zu einem gleichsinnigen Federpaket angeordnet. Die Tellerfeder oder die Tellerfedern sind so angeordnet, dass sie bei einer thermischen Ausdehnung des Rückschlagventils nachgeben, also entgegen der Federkraft komprimiert werden.
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Die Vorspannkraft der Tellerfedereinrichtung kann spezifisch auf die bei einer Verbrennung entstehenden Druckkräfte eingestellt werden, die maximale Vorspannkraft kann zudem auf die maximal vorherrschenden Zünddrücke und/oder die maximalen Spitzendrücke bei der Verbrennung im Brennraum abgestimmt werden. Der Vorteil liegt darin, dass Tellerfedern elastisch deformiert werden, wenig Verschleiß zeigen, und mit Tellerfedern die Federsteifigkeit genau auf den jeweiligen Gasmotor abgestimmt werden kann.
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Vorzugsweise ist die elastische Einrichtung hinsichtlich des Rückschlagventils auf der vom Brennraum abgewandten Seite angeordnet. Die elastische Einrichtung wird also weiter weg vom Brennraum eingebaut als der bekannte Weicheisenring.
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Da das Rückschlagventil zwischen der elastischen Einrichtung und dem Brennraum angeordnet ist, ist die elastische Einrichtung von der Verbrennungswärme abgeschirmt und wird auch dadurch thermisch weniger stark als der bekannte Weicheisendichtring beansprucht.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, weist die Vorrichtung eine Ventilhülse mit einer für den Durchlass von Gas vorgesehenen Bohrung auf, und das Rückschlagventil und die elastische Einrichtung sind in der Bohrung angeordnet. Anders als bei einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik, sind das Rückschlagventil und die elastische Einrichtung innerhalb der Ventilhülse angeordnet. Der Austausch der Ventilhülse als Komplettpaket, insbesondere inklusive Rückschlagventil und elastischer Einrichtung, stellt für die Wartung eine wesentliche Vereinfachung dar.
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In der Ventilhülse ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform außerdem eine Verschlussschraube angeordnet, mit welcher das Rückschlagventil in der Ventilhülse lösbar festlegbar ist, wobei die elastische Einrichtung zwischen der Verschlussschraube und dem Rückschlagventil angeordnet ist. Zur Wartung lässt sich die Verschlussschraube lösen, und die elastische Einrichtung und/oder das Rückschlagventil lassen sich aus der Ventilhülse herausziehen, bei Bedarf beispielsweise austauschen, worauf sich die genannten Bauteile durch Festschrauben der Verschlussschraube wieder in der Ventilhülse festlegen lassen. Da die elastische Einrichtung außerdem zwischen der Verschlussschraube und dem Rückschlagventil angeordnet ist, ist die elastische Einrichtung auch zu erreichen, ohne dass das Rückschlagventil aus der Ventilhülse herausgezogen werden müsste. Die Wartung der genannten Bauteile ist dementsprechend gegenüber der Wartung der bekannten Vorrichtung mit dem Weicheisendichtring vereinfacht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Ventilhülse durch eine Druckschraube benachbart zu dem Brennraum des Gasmotors lösbar festgelegt. Die Druckschraube ist außerhalb der Ventilhülse angeordnet und dient dazu, die Ventilhülse gegen die im Brennraum aufgebauten Druckkräfte zu sichern. Während bei konventionellen Vorrichtungen Bauteile, wie ein Weicheisendichtring und ein Rückschlagventil in der Druckschraube integriert waren, sind die genannten Bauteile nun in einer Ventilhülse integriert und einfacher zugänglich.
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Zwischen der elastischen Einrichtung und dem Rückschlagventil ist nach einer bevorzugten Ausführungsform eine Distanzhülse angeordnet. Diese erfüllt die Funktion eines Abstandshalters zwischen dem Rückschlagventil und der elastischen Einrichtung und sorgt so für eine Reduzierung der thermischen Belastung der elastischen Einrichtung.
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Zwischen der Distanzhülse und der elastischen Einrichtung ist außerdem vorzugsweise eine Blende angeordnet, deren Durchtrittsbohrung verschiedene Durchmesser aufweisen kann, so dass der pro Zeiteinheit durchtretende Gasmassenstrom leicht verändert werden kann, indem eine Blende mit einem, dem Anforderungsprofil des mit Gas versorgten Zylinders entsprechendem Durchlass eingesetzt wird. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung an verschiedene Gasmotoren adaptiert werden.
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Je nach Hubvolumen kann beispielsweise der Öffnungsquerschnitt der Blende vergrößert oder verkleinert werden, damit mehr, beziehungsweise weniger Gas pro Zeiteinheit in den Brennraum gelangen kann. Der Vorteil liegt darin, dass sich große Stückzahlen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Standardmaßen produzieren lassen und dann in Zusammenwirkung mit unterschiedlichen Motoren eingesetzt werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich also kostengünstig herstellen.
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Die Erfindung schließt ebenfalls einen Gasmotor mit wenigstens einer Vorkammer mit ein, wobei eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer mit der Vorkammer verbundenen Gasleitung angeordnet ist. Selbstverständlich können bei einem Gasmotor mit mehreren Vorkammern außerdem auch in mehreren mit jeweils einer Vorkammer verbundenen Gasleitungen erfindungsgemäße Vorrichtungen angeordnet sein.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine Explosionsansicht einer Schnittdarstellung einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik im auseinandergebauten Zustand; und
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3 eine schematische Darstellung eines Gasmotors mit einer eingebauten erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 zum Freigeben des Strömungsquerschnitts einer in 3 abgebildeten Gasleitung 28. Zum Vergleich ist in 2 zudem eine Explosionsansicht einer Vorrichtung 9 nach dem Stand der Technik abgebildet. Zuerst soll die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 erläutert werden.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung 4 weist ein Rückschlagventil 1 auf, welches im vorderen Teil der Ventilhülse 3 – in der 1 also auf der rechten Seite – angeordnet ist. Durch die gesamte Ventilhülse 3 zieht sich eine Bohrung 29 hindurch, durch welche Gas hindurch strömen kann. Das Rückschlagventil erlaubt das Durchströmen in der einen Richtung, in der Figur von links nach rechts, nämlich in die Richtung zum in der 3 dargestellten Brennraum 24 und einer Vorkammer 22 hin, nicht aber in der anderen Richtung, in der Figur von rechts nach links.
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Da sich das Rückschlagventil 1, wie in der 3 erkennbar ist, direkt benachbart zu der beim Betrieb des Gasmotors 21 stark erhitzten Vorkammer 22 befindet, ist es hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Es dehnt sich aufgrund der Wärmeeinwirkung aus. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 weist Tellerfedern 2 auf, welche die von einer Längenausdehnung des Rückschlagventils 1 ausgehende, in der Figur nach links wirkende Kraft durch Komprimieren entgegen der Federkraft aufnehmen. Die Federkraft der zu einem gleichsinnigen Federpaket angeordneten Tellerfedern 2 ist spezifisch auf die aufgrund der Längenausdehnung des Rückschlagventils 1 entstehenden Kräfte ausgelegt.
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Zwischen den Tellerfedern 2 und dem Rückschlagventil 1 sind eine Distanzhülse 7 und eine Blende 8 angeordnet. Mit der Distanzhülse 7 wird der Abstand zwischen der Vorkammer und dem Federpaket vergrößert und so die thermische Belastung der Tellerfedern 2 verringert.
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Mit der Blende 8 können der Gaszuführdruck und der Gasmassenstrom eingestellt werden. Der Öffnungsquerschnitt der Blende 8 ist spezifisch auf den betreffenden, in der 3 teilweise dargestellten Gasmotor 21 abgestimmt. Der Öffnungsquerschnitt ist darauf ausgelegt, eine dem Hubvolumen des versorgten Zylinders des Gasmotors 21 entsprechende Menge von Gas durchströmen zu lassen.
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Das Rückschlagventil 1, die Tellerfedern 2, die Distanzhülse 7 und auch die Blende 8 sind durch die Verschlussschraube 5 in der Ventilhülse 3 lösbar festgelegt. Wenn die Verschlussschraube 5 gelöst wird, können zuallererst die Tellerfedern 2 herausgezogen und bei Bedarf ausgewechselt werden. Dies macht die Wartung der Vorrichtung 4 entsprechend einfach.
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Die gesamte Ventilhülse 3 ist mit einer Druckschraube 6 benachbart zu der in der 3 dargestellten Vorkammer 22 lösbar festgelegt. Die Druckschraube 6 ist darauf ausgelegt, die Ventilhülse 3 in ihrer Position festzuhalten, auch wenn hohe Drücke von der Vorkammer 22 auf sie einwirken. Vorteilhaft ist es, dass die vorstehend genannten, funktionalen Komponenten, die mit dem Rückschlagventil 1 zusammenwirken, in ein und derselben Ventilhülse 3, aber außerhalb der Druckschraube 6 angeordnet sind. Wenn die Druckschraube 6 gelöst wird, kann die Ventilhülse 3 als Ganzes herausgezogen und bei Bedarf ebenfalls als Ganzes ausgewechselt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 unterscheidet sich in den meisten vorstehend genannten Punkten von einer Vorrichtung 9 nach dem Stand der Technik. Die letztere ist, um einen Vergleich zu ermöglichen, in 2 in einer Explosionsansicht einer Schnittdarstellung gezeigt.
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Das Rückschlagventil 10 und weitere mit dem Rückschlagventil 10 zusammenwirkende Bauteile der Vorrichtung 9 sind in eingebautem Zustand allesamt in einer Druckschraube 20 verbaut. Der Innenraum 13 der Druckschraube 20 dient bei der bekannten Vorrichtung 9 der Aufnahme der in der Explosionsansicht dargestellten Bauteile. Diese sind in der Figur rechts vom Innenraum 13, in der entsprechenden Reihenfolge, in welcher sie verbaut werden, in Schnittdarstellung dargestellt.
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Das Bauteil, welches im verbauten Zustand an unterster Stelle in der Druckschraube 20 zu liegen kommt, ist ein Weicheisendichtring 11. Dieser dient dazu, aufgrund von thermischen Längenausdehnungen des Rückschlagventils 10 wirkende Kräfte aufzunehmen und den Längenausgleich zuzulassen. Der Weicheisendichtring 11 wird allerdings aufgrund der hier vorherrschenden Krafteinwirkung nicht elastisch, sondern plastisch deformiert und ist deshalb einem sehr viel höheren Verschleiß ausgesetzt als die Tellerfedern 2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4.
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Das Rückschlagventil 10 besteht bei der dargestellten Vorrichtung 9 im einzelnen aus einem Kugelventil 14, einer Ventilfeder 15, einer Hülse 16 und einem Ventilkörper 17 mit einer Bohrung zum Durchlass von Gas. Wenn Gas in Richtung zu einem nicht näher dargestellten, Brennraum strömt, wird die Kugel aufgrund der Gasdruckkraft entgegen der Federkraft der Ventilfeder 15 verschoben, und die Öffnung des Kugelventils 14 ist für das Durchströmen von Gas freigegeben. Wenn der Gasdruck in der nicht näher dargestellten Vorkammer entsprechend angestiegen ist, und Gas zurückzuströmen beginnt – in der Figur in der Richtung von rechts nach links – vermag die auf die Kugel einwirkende Druckkraft die entgegengesetzte Federkraft der komprimierten Ventilfeder 15 nicht mehr zu kompensieren, und die Kugel wird über die Öffnung des Kugelventils 14 zurückgeschoben. Es können somit keine Verbrennungsprodukte und kein komprimiertes Brenngas vom Brennraum in die Gaszuführleitung zurückströmen.
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Benachbart zu dem Rückschlagventil 10 werden im Innenraum 13 der Druckschraube 20 ein Abstandshalter 18 und ein Dichtstöpsel 19 verbaut. Die genannten Bauteile werden mit einer Verschlussschraube 12 innerhalb der Druckschraube 20 festgelegt. Im Gegensatz zum Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 werden also sämtliche Bauteile (mit Ausnahme der Druckschraube 20 selbst) bei der Vorrichtung 9 nach dem Stand der Technik in einer Druckschraube verbaut.
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Da der Weicheisendichtring 11 einen sehr hohen Verschleiß aufweist, muss er sehr oft ausgewechselt werden. Es hat sich in diesem Zusammenhang für die Wartung eines Gasmotors mit einer Vorrichtung 9 nach dem Stand der Technik als nachteilig gezeigt, dass der Weicheisendichtring 11 an unterster, und damit an der zuletzt zugänglichen Stelle in der Druckschraube 20 befindet.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind an Stelle eines Weicheisendichtrings 11 Tellerfedern 2 verbaut. Diese sind nicht nur weniger verschleißanfällig, sondern auch an einer schnell zugänglichen Stelle, nämlich vorne in der Ventilhülse 3 verbaut. Die Wartung eines Gasmotors 21, der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 bestückt ist, ist damit wesentlich einfacher durchzuführen.
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Ein Teilbereich eines mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 ausgestatteten Gasmotors 21 ist in 3 gezeigt. Die Vorrichtung 4 befindet sich in einer Gasleitung 28, welche zu der Vorkammer 22 führt. Benachbart zu der Vorkammer 22 ist ein Hauptbrennraum 24 mit einem Kolben 26 angeordnet. Oberhalb der Vorkammer 22 sind außerdem eine Zündkerze 25 sowie eine Vorkammerhalterung 23 dargestellt, und auf beiden Seiten der Vorkammer 22 befinden sich Ventile 27 des Gasmotors 21. Das Rückschlagventil 1 sorgt dafür, dass aus der Vorkammer keine Verbrennungsprodukte und kein beim Kompressionshub des Kolbens 26 komprimiertes Brenngas in die Gasleitung 28 zurückströmen kann.
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Hinsichtlich vorstehend im Einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf die Patentansprüche und die Zeichnungen verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rückschlagventil
- 2
- elastische Einrichtung, Tellerfedern
- 3
- Ventilhülse
- 4
- erfindungsgemäße Vorrichtung
- 5
- Verschlussschraube
- 6
- Druckschraube
- 7
- Distanzhülse
- 8
- Blende
- 9
- Vorrichtung nach dem Stand der Technik
- 10
- Rückschlagventil
- 11
- Weicheisendichtring
- 12
- Verschlussschraube
- 13
- Innenraum der Druckschraube
- 14
- Kugelventil
- 15
- Ventilfeder
- 16
- Hülse
- 17
- Ventilkörper mit Bohrung
- 18
- Abstandshalter
- 19
- Dichtstöpsel
- 20
- Druckschraube
- 21
- Teilansicht eines Gasmotors
- 22
- Vorkammer
- 23
- Vorkammerhalterung
- 24
- Hauptbrennraum
- 25
- Zündkerze
- 26
- Kolben
- 27
- Ventile
- 28
- Gasleitung
- 29
- Bohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 2172652 A [0005]
- US 2003/0127140 A1 [0006]
