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Die Erfindung betrifft eine Gemischbildungsvorrichtung für einen mit einem brennbaren Gas betriebenen Verbrennungsmotor sowie einen Verbrennungsmotor, in dessen Ansaugtrakt eine solche Gemischbildungsvorrichtung angeordnet ist.
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Aus dem Stand der Technik sind Verbrennungsmotoren bekannt, welche mit einem brennbaren Gas, beispielsweise verflüssigtes Erdgas (LPG - Liquified Natural Gas) oder unter Druck bevorratetes Erdgas (CNG - Compressed Natural Gas), betrieben werden. Insbesondere bei unter Druck bevorratetem Erdgas (CNG) stellt sich die Herausforderung, das Gas in die Brennräume des Verbrennungsmotors zu fördern. Da Gase im Vergleich zu (quasi inkompressiblen) Flüssigkeiten eine deutlich höhere Kompressibilität aufweisen, kann ein solches Gas nicht mit einer konventionellen Kraftstoffpumpe in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt werden. Zwar ist eine Direkteinblasung des brennbaren Gases (analog einer Direkteinspritzung von flüssigem Kraftstoff) in den Brennraum des Verbrennungsmotors möglich, jedoch erfordert dies ein relativ hohes Druckniveau im Gastank von mindestens 20 bar, wodurch nur eine unvollständige Entleerung des Gastanks möglich ist und somit die Reichweite eines Kraftfahrzeuges deutlich reduziert wird.
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Aus der
DE 35 04 796 A1 ist ein Luftansaugstutzen für einen Verbrennungsmotor mit einem Kraftstoffvergaser bekannt, wobei der Verbrennungsmotor wahlweise mit einem flüssigen Brennstoff und einem gasförmigen Brennstoff betrieben werden kann. Um den bei beiden Kraftstoffarten wechselnden Anforderungen im Hinblick auf die Einströmung der Verbrennungsluft Rechnung zu tragen und um einen Mehrverbrauch beim Betrieb mit gasförmigem Kraftstoff zu senken, ist eine mit Abstand zum Vergaser angeordnete Scheibe vorgesehen, welche eine zentrale, verschließbare Öffnung aufweist. Diese Öffnung wird im höheren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors freigegeben, sodass in allen Kennfeldbereichen jeweils die passende Menge an Frischluft angesaugt werden kann.
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Aus der
EP 0 859 176 A2 ist ein Ventil zur Abgasrückführung für einen Verbrennungsmotor mit einem Einsatz bekannt, wobei in Abhängigkeit von der Form des Einsatzes die Durchflussmengen bei teilweise geöffnetem Abgasrückführungsventil variiert werden können.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik einfache Gasmischer und sogenannte Kreuzmischer bekannt, um den gasförmigen Brennstoff eines Verbrennungsmotors mit der Frischluft zu vermischen.
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Nachteilig an solchen Mischern mit fester Geometrie ist jedoch, dass sie zwar bei einem stationären Betriebspunkt, wie beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor eines Blockheizkraftwerkes, gute Ergebnisse liefern, jedoch für einen dynamischen Betrieb wie in einem Kraftfahrzeug eher ungeeignet sind oder erheblichen zusätzlichen Steuer- und Regelungsaufwand erfordern.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Aufbereitung eines gasförmigen Brennstoffs für einen Verbrennungsmotor zu ermöglichen, wobei die strengen Grenzwerte der Emissionsgesetzgebung erreicht werden und ein dynamischer Motorbetrieb ohne Komforteinbußen möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Gemischbildungsvorrichtung zur Anordnung in einem Ansaugkanal eines mit einem brennbaren Gas betriebenen Verbrennungsmotor gelöst, welche ein Schließglied, mit dem der Öffnungsquerschnitt des Ansaugkanals des Verbrennungsmotors reduziert werden kann, mindestens ein Zumessventil zur Zumessung von dem brennbaren Gas in den Ansaugkanal des Verbrennungsmotors, sowie mindestens einen Anschluss für eine Abgasrückführung des Verbrennungsmotors umfasst, wobei ein Frischluftstrom durch eine Umlenkgeometrie des Schließgliedes in einen ersten Ringkanal umgeleitet wird, und wobei eine erste Einleitstelle für das brennbare Gas und eine zweite Einleitstelle für das mittels der Abgasrückführung zurückgeführte Gas stromabwärts der Umlenkgeometrie angeordnet sind. Dadurch kann ein Bauteil geschaffen werden, welches auf kompaktem Bauraum und kostengünstige Art die Funktionen eines Quantitätsreglers für den Frischgasstrom, eines Gasmischers sowie einer Strömungsführung und Strömungsoptimierung darstellt. Zudem kann eine vergleichsweise gute Gemischaufbereitung bei geringem Strömungswiderstand erreicht werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Gemischbildungsvorrichtung möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Zumessventil das brennbare Gas in einen Vorraum eindosiert, welcher über einen Kanal mit dem ersten Ringkanal des Ansaugkanals verbunden ist. Durch den Vorraum ist eine erste Vermischung des brennbaren Gases mit der Frischluft möglich, wodurch eine besonders gleichmäßige Vermischung des brennbaren Gases mit der Frischluft in dem ersten Ringkanal erreicht wird. Dadurch ist eine besonders saubere und emissionsarme Verbrennung des brennbaren Gases möglich.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Kanal im Wesentlichen senkrecht zu einer Ausströmöffnung des Zumessventils verläuft. Dadurch erfolgt eine scharfe Umlenkung des brennbaren Gases beim Auftreffen auf die Wand des Vorraums, wodurch sich in dem Vorraum Wirbel bilden, welche eine Vermischung von dem brennbaren Gas und der Frischluft begünstigen.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasrückführung einen zweiten Ringkanal aufweist, welcher zumindest abschnittsweise um ein Ansaugrohr des Ansaugkanals herum verläuft. Durch den Anschluss der Abgasrückführung an einen zweiten Ringkanal ist eine besonders gleichmäßige Vermischung des rückgeführten Abgases mit dem Gemisch aus Frischluft und brennbarem Gas möglich, da das Abgas entlang des zweiten Ringkanals über mehrere zweite Einleitstellen gleichmäßig in den ersten Ringkanal eingebracht werden kann. Somit kann die emissionssenkende Wirkung der Abgasrückführung optimal umgesetzt werden.
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Gemäß einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schließglied einen Leitabschnitt zur Strömungsführung der Frischluft, des brennbaren Gases und/oder des zurückgeführten Abgases und einen Führungsabschnitt aufweist, mit welchem das Schließglied in einem Gehäuse der Gemischbildungsvorrichtung geführt ist. Durch eine Strömungsführung über das Schließglied können zusätzliche Leitgeometrien für die Frischluft entfallen, welche mit zusätzlichen Bauteile oder einer komplexeren Gestaltung des Gehäuses verbunden wären und Mehrkosten verursachen würden. Zudem ist eine Bearbeitung der Außenkontur des Schließgliedes in der Regel kostengünstiger als eine Bearbeitung der Innenkontur des Gehäuses, sodass hier ein strömungsoptimiertes Profil zu vergleichsweise geringen Fertigungskosten hergestellt werden kann. Durch einen zusätzlichen Führungsabschnitt an dem Schließglied kann das Schließglied auf einfach Art und Weise in dem Gehäuse geführt werden, ohne dass eine Strömungsbeeinträchtigung im Bereich der Leitgeometrie, des Ansaugrohrs oder des ersten Ringkanals notwendig ist.
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Bevorzugt ist dabei, wenn der Führungsabschnitt an einem geschlossenen Gehäuseabschnitt des Gehäuses geführt ist. Hierdurch kann in dem geschlossenen Gehäuseabschnitt nach Art einer Gasfeder ein Unterdruck erzeugt werden, welcher beim Schließen des Ventils entsteht und somit eine Rückstellkraft gegen die Schließkraft des Ventils erzeugt.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn zwischen dem Führungsabschnitt und dem Gehäuse eine Dichtung angeordnet ist. Durch eine Dichtung zwischen dem Führungsabschnitt und dem geschlossenen Gehäuseabschnitt des Gehäuses kann ein Einströmen von Gas in das Ausgleichsvolumen verhindert werden, sodass ein Gasaustausch zwischen der Luftführung der Gemischbildungsvorrichtung und dem Ausgleichsvolumen zumindest weitestgehend unterbunden wird.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Schließglied im Bereich des Führungsabschnitts hohl ist und ein Ausgleichsvolumen umschließt. Durch ein hohles Schließglied kann ein vergleichsweise großes Ausgleichsvolumen begrenzt werden, sodass die bei einem Verschieben des Schließglieds auftretenden Gaskräfte vergleichsweise gering und somit gut steuerbar sind. Zudem kann durch ein hohles Schließglied Material an dem Schließglied eingespart werden, wodurch das dynamische Verhalten des Schließgliedes verbessert werden kann.
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In einer weiteren bevorzugen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Einleitstelle für die Abgasrückführung in Strömungsrichtung der Frischluft durch den Ansaugkanal stromab der ersten Einleitstelle für das Gas liegt. Somit kann die Fläche der Wand des ersten Ringkanals optimal genutzt werden und es kann eine Vielzahl von ersten und zweiten Einleitstellen ausgebildet werden, wobei die ersten Einleitstellen vorzugsweise auf einem ersten, gemeinsamen Lochkreis und die zweiten Einleitstellen vorzugsweise auf einem zweiten, gemeinsamen Lochkreis liegen. Zudem wird die Ansaugluft durch ein Einleiten des rückgeführten Abgases stromabwärts der Einleitung des brennbaren Gases nicht bereits vor der Vermischung mit dem brennbaren Gas aufgeheizt, wodurch eine bessere Füllung der Brennräume des Verbrennungsmotors möglich ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spaltbreite des ersten Ringkanals ca. 1/8 bis 1/800 des Durchmessers eines Ansaugrohres des Ansaugkanals beträgt. Der erste Ringkanal muss sowohl bei Leerlauf als auch bei Volllast durchströmt werden. Dabei sind zum einen eine Kleinstmengenfähigkeit und zum anderen eine maximale Leistungsausbeute im Volllastbetrieb zu gewährleisten. Eine Breite von 1/8 bis 1/800 des Ansaugrohrs, insbesondere eine Breite zwischen 50 µm und 5 mm hat sich dabei ja nach Anwendungsfall als guter Kompromiss zwischen notwendiger Drosselung zum Ermöglichen einer Kleinstmengenfähigkeit und geringem Strömungsverlust bei Volllast herausgestellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem ersten Ringkanal ein Diffusor ausgebildet ist. Durch einen Diffusor kann der Austrittsquerschnitt des ersten Ringkanals vergrößert und die Strömungsgeschwindigkeit (und somit die Strömungsverluste) verringert werden. Dadurch kann insbesondere im Volllastbetrieb eine höhere Leistung erzielt werden.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Schließglied ein Ventil mit einem Ventilschaft und einem Ventilteller ist, wobei der Ventilteller einen ersten, radial inneren Abschnitt aufweist, welcher unter einem ersten Winkel zum Ventilschaft verläuft und einen zweiten, radial äußeren Abschnitt aufweist, welcher unter einem im Vergleich zum ersten Abschnitt größeren Winkel zum Ventilschaft verläuft. Dadurch kann zwischen dem Ventil und einer geraden Wand des Gehäuses auf einfache Art und Weise ein Diffusor ausgebildet werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Diffusor im ersten Ringkanal stromab des Schließgliedes ausgebildet ist. Dadurch kann ein Ventil mit einem vergleichsweise kurzen Ventilteller verwendet werden, wodurch die Kosten und der Bauraumbedarf für das Ventil reduziert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Gemischbildungsvorrichtung ist vorgesehen, dass an dem Ventilteller oder einer dem Ventilteller gegenüberliegenden Wand des ersten Ringkanals eine Ausnehmung und an dem jeweils gegenüberliegenden Bauteil ein in die Ausnehmung hineinragender Vorsprung ausgebildet ist. Um die Kleinstmengenfähigkeit der Gemischbildungsvorrichtung zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn das Ventil im geschlossenen Zustand einen möglichst geringen, aber von Null verschiedenen Öffnungsquerschnitt zwischen Ventil und Wand des Gehäuses aufweist. Dies kann entweder durch sehr enge Fertigungstoleranzen erreicht werden, welche jedoch mit hohen Kosten verbunden sind, oder durch ein zusätzliches Strömungshindernis, welches den Durchfluss begrenzt. Durch eine Ausnehmung und einen korrespondierenden Vorsprung kann auf einfache und kostengünstige Art eine Labyrinthdichtung ausgebildet werden, welche die Kleinstmengenfähigkeit der Gemischbildungsvorrichtung verbessert. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kontur des Vorsprungs ein Profil aufweist. Durch eine Profilierung der Vorsprünge kann der Übergang von einer Kleinstmenge an eindosiertem brennbaren Gas in einen Bereich mit größeren Gasmengen verbessert werden, wodurch der Komfort im dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors verbessert wird.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum, einem Ansaugkanal, einem Abgaskanal, einer Abgasrückführung aus dem Abgaskanal in den Ansaugkanal sowie einer erfindungsgemäßen Gemischbildungsvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Eindosierung eines brennbaren Gases zum Betrieb des Verbrennungsmotors durch ein steuerbares Zumessventil stromaufwärts der Brennräume in den Ansaugkanal des Verbrennungsmotors erfolgt.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze eines Verbrennungsmotors;
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gemischbildungsvorrichtung in einer Schnittdarstellung;
- 3 die Gemischbildungsvorrichtung aus 2 in einer dreidimensionalen Darstellung;
- 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gemischbildungsvorrichtung in einer Schnittdarstellung;
- 5 die Gemischbildungsvorrichtung aus 4 in einer dreidimensionalen Darstellung;
- 6 eine erste Ausführungsform eines Ventilsitzes einer erfindungsgemäßen Gemischbildungsvorrichtung;
- 7 eine weitere Ausführungsform eines Ventilsitzes einer erfindungsgemäßen Gemischbildungsvorrichtung;
- 8 eine weitere Ausführungsform eines Ventilsitzes einer erfindungsgemäßen Gemischbildungsvorrichtung;
- 9 eine weitere Ausführungsform eines Ventilsitzes einer erfindungsgemäßen Gemischbildungsvorrichtung; und
- 10 einen Ventilsitz einer erfindungsgemäßen Gemischbildungsvorrichtung bei teilweise geschlossenem Ventil.
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1 zeigt einen stark vereinfachten Aufbau eines Verbrennungsmotors 1 mit vier Brennräumen 2, einem Ansaugkanal 3 sowie einem Abgaskanal 4. Dabei ist eine Abgasrückführung 5 vorgesehen, welche den Abgaskanal 4 mit dem Ansaugkanal 3 verbindet und somit eine Rückführung verbrannter Kraftstoffbestandteile in den Ansaugkanal 3 des Verbrennungsmotors 1 ermöglicht. Der Verbrennungsmotor 1 ist in dem folgend beschriebenen Ausführungsbeispiel als Gasmotor 1 ausgebildet und wird mit einem gasförmigen Brennstoff, vorzugsweise mit Erdgas (CNG - Compressed Natural Gas) betrieben. Alternativ ist auch ein Betrieb mit einem verflüssigten Gas (LNG - Liquified Natural Gas) möglich. Gasmotoren 1 unterschieden sich im Vergleich zu klassischen Verbrennungsmotoren, bei denen ein flüssiger Kraftstoff in den Ansaugkanal 3 oder die Brennräume 1 eindosiert wird, dadurch, dass der Brennstoff unter Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck gasförmig und somit stark kompressibel ist. Somit ist eine Einbringung des gasförmigen Kraftstoffes in die Brennräume 2 des Verbrennungsmotors 1 mittels konventioneller Einspritztechnik, insbesondere mittels einer Einspritzpumpe und/oder eines Kraftstoff-Einspritzsystems nicht oder zumindest nicht effizient möglich. Deshalb sind für Gasmotoren 1 alternative Gemischbildungsvorrichtungen entwickelt worden, welche speziell an die Besonderheiten eines gasförmigen Brennstoffes angepasst sind. Dabei erfolgt die Gemischbildung vorzugsweise im Ansaugkanal 3 stromaufwärts der Brennräume 2 des Verbrennungsmotors 1, da an dieser Stelle das Druckniveau niedriger als in den Brennräumen 2 ist und die Gastanks somit weiter entleert werden können.
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In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gemischbildungsvorrichtung 10 für einen mit einem gasförmigen Brennstoff betriebenen Verbrennungsmotor 1 dargestellt. Die Gemischbildungsvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 42, in welchem ein Schließglied 12, insbesondere ein Ventil 54, verschiebbar angeordnet ist. Das Gehäuse 42 weist einen ersten, in Zeichnungsebene vertikal verlaufenden Abschnitt auf, in dem ein Ansaugrohr 36 ausgebildet ist. Das Gehäuse 42 weist ferner einen zweiten Abschnitt auf, welcher einen ersten Ringkanal 22 ausbildet. Der erste Ringkanal 22 verläuft in einem Winkel von ca. 100° bis 120° zum Ansaugrohr 36. An dem Gehäuse 42 ist ferner ein geschlossener Gehäuseabschnitt 44 ausgebildet, welcher zusammen mit dem Schließglied 12 ein Ausgleichsvolumen 48 begrenzt. Das Schließglied 12 ist als ein Ventil 54, insbesondere als ein Tellerventil, ausgebildet, und weist einen Ventilschaft 56 und einen Ventilteller 58 auf. Der Ventilschaft 56 und der Ventilteller 58 bilden auf ihrer dem Ansaugrohr 36 zugewandten Seite einen Leitabschnitt 38 aus, durch welchen durch die Gemischbildungsvorrichtung strömende Frischluft geführt und umgelenkt wird. Zwischen dem Ventilschaft 56 und dem Ventilteller 58 ist eine Umlenkgeometrie 20 ausgebildet, welche die durch das Ansaugrohr 36 in die Gemischbildungsvorrichtung 10 einströmende Frischluft in den ersten Ringkanal 22 umlenkt. Dem Ventilteller 58 schließt sich ein Führungsabschnitt 40 an, in welchem das Ventil 54 in dem geschlossenen Gehäuseabschnitt 44 geführt ist. Das Schließglied 12 ist im Bereich des Führungsabschnitts 40 hohl ausgebildet und umschließt das Ausgleichsvolumen 48. Zwischen dem Führungsabschnitt 40 und der Gehäusewand des geschlossenen Gehäuseabschnitts 44 ist eine Dichtung 46 angeordnet, welche das Eindringen von Frischluft in das Ausgleichsvolumen 48 unterbinden soll.
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Die Gemischbildungsvorrichtung 10 weist ferner mindestens eine, vorzugsweise wie in 1 dargestellt mehrere, bevorzugt gleichmäßig über den Umfang der Gemischbildungsvorrichtung 10 verteilte, Aufnahmeöffnung(en) 78 auf, in welchen jeweils ein Zumessventil 16 zur Zuführung eines brennbaren Gases angeordnet ist. Das Zumessventil 16 weist an seinem Umfang eine Dichtung 76, insbesondere einen Dichtring, auf, mit welchem ein Spalt zwischen dem Zumessventil 16 und der Aufnahmeöffnung 78 abgedichtet wird und somit ein unkontrolliertes Austreten des brennbaren Gases aus der Gemischbildungsvorrichtung 10 unterbunden wird. Jede der Aufnahmeöffnungen 78 ist jeweils mit einem Vorraum 28 verbunden, in dem sich über die Zumessventile 16 zugeführter gasförmiger Brennstoff mit Frischluft vermischen kann. Die jeweiligen Vorräume 28 sind über Kanäle 30 mit dem ersten Ringkanal 22 verbunden, wobei die Kanäle 30 jeweils im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Ringkanal 22 verlaufen. Um ein Einleiten von brennbarem Gas in den ersten Ringkanal 22 zu ermöglichen, sind jeweils an einem dem ersten Ringkanal 22 zugewandten Ende des Kanals 30 erste Einleitstellen 24 ausgebildet, über welche die Kanäle 30 mit dem ersten Ringkanal 22 fluidisch verbunden sind. Dabei verlaufen die Kanäle 30 im Wesentlichen senkrecht zu den Ausströmöffnungen 32 der Zumessventile 16. Die Zumessventile 16 sind dabei radial angeordnet, das heißt, senkrecht zu dem Ansaugrohr 34 der Gemischbildungsvorrichtung 10 ausgerichtet. Die Zumessventile 16 weisen jeweils einen Stecker 52 auf, mit dem die Zumessventile 16 elektrisch kontaktiert werden können.
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An der Gemischbildungsvorrichtung 10 ist ein Anschluss für eine Abgasrückführung 4 des Verbrennungsmotors 1 ausgebildet. Dabei weist die Gemischbildungsvorrichtung 10 einen zweiten Ringkanal 34 auf, welcher zumindest abschnittsweise um das Ansaugrohr 36 des Ansaugkanals 3 herum geführt ist. Der zweite Ringkanal 34 verläuft im Wesentlichen parallel zum dem ersten Ringkanal 22 und ist über zweite Einleitstellen 26 mit diesem ersten Ringkanal 22 verbunden. Dabei ist der zweite Ringkanal 34 über mindestens einen Anschluss 18 an die Abgasrückführung 4 angeschlossen.
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In 3 ist die Gemischbildungsvorrichtung 10 in einer dreidimensionalen Darstellung gezeigt. Dabei ist zu erkennen, dass die Zumessventile 16 senkrecht zu dem Ansaugrohr 36 ausgerichtet sind und in radialer Richtung nicht über das Gehäuse 42 der Gemischbildungsvorrichtung 10 hinausragen.
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Im Betrieb der Gemischbildungsvorrichtung 10 wird Frischluft über das Ansaugrohr 36 in die Gemischbildungsvorrichtung 10 eingesaugt. Gleichzeitig wird das brennbare Gas mittels der Zumessventile 16 in die Vorräume 28 eindosiert, wo eine erste Vermischung des brennbaren Gases mit der Frischluft erfolgt. Durch die Umlenkung des Gases von der Ausströmöffnung 32 des Zumessventils 16 über die Wandung des Vorraums und das Weiterleiten durch den Kanal 30 in den ersten Ringkanal 22 erfolgt eine Verwirbelung, welche eine gleichmäßige Durchmischung von Frischluft und brennbarem Gas bewirkt. Stromabwärts der ersten Einleitstelle 24 wird das Gemisch aus Frischluft und brennbarem Gas zusätzlich mit über die Abgasrückführung 4 und den zweiten Ringkanal 34 zurückgeführtem Abgas beaufschlagt. Dazu wird an einer zweiten Einleitstelle 26 das zurückgeführte Abgas in den ersten Ringkanal 22 eingeleitet, wobei sich das Abgas mit dem Gemisch aus Frischluft und brennbarem Gas vermischt.
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Das Schließglied 12 hat die Funktion eines Quantitätsreglers und kann somit die Drosselklappe bei einem konventionellen Verbrennungsmotor ersetzen. Die Gemischbildungsvorrichtung 10 in 2 ist dabei bei vollständig geöffnetem Ventil 54 dargestellt, also maximal entdrosselt.
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Durch ein Schließen des Ventils 54, das heißt ein Verschieben in Richtung einer Sitzkante 74 am Gehäuse 42, kann ein Öffnungsquerschnitt 14 des ersten Ringkanals 22 reduziert werden. Ein solches, teilweise geschlossenes Ventil 54 ist in 10 dargestellt. Dabei weist der Ventilteller 58 im Bereich des Führungsabschnitts 40 eine in Strömungsrichtung des Gases durch den ersten Ringkanal 22 scharfe Abrisskante auf, welche im ersten Ringkanal 22 stromabwärts des Ventiltellers 58 für eine Wirbelbildung sorgt, wobei eine Wirbelschleppe 80 eine zusätzliche Vermischung von Frischluft, brennbarem Gas und Abgas aus der Abgasrückführung 4 bewirkt. Dabei muss zum einen eine Kleinstmengenfähigkeit, insbesondere beim Leerlauf des Verbrennungsmotors 1, sowie eine strömungsgünstige und möglichst verlustarme Strömungsführung im Volllastbetrieb ermöglicht werden. Die Verstellung des Ventils 52 erfolgt beispielsweise über ein elektromechanisches Steuerelement, kann alternativ jedoch auch rein mechanisch, beispielsweise über eine Spindel, einen Kipphebel, eine Verzahnung oder ähnliches erfolgen.
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In 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gemischbildungsvorrichtung 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 2 ausgeführt wird im Folgenden nur auf die verbleibenden Unterschiede eingegangen. Die Zumessventile 16 sind in dieser Ausführungsvariante axial, das heißt parallel zu dem Ansaugrohr 36, angeordnet. Dadurch wird in radialer Richtung zusätzlicher Platz geschaffen, sodass der vorhandene Bauraum optimal genutzt werden kann. Entsprechend der axialen Anordnung der Zumessventile 16 ist die Form des Vorraums 28 entsprechend angepasst, wobei der Kanal 30 an einem dem Ansaugrohr 36 zugewandten Ende des Vorraums 28 ausgebildet ist und exzentrisch von der Ausströmöffnung 32 des Zumessventils 16 angeordnet ist, um eine entsprechend mehrfache Umlenkung und Vermischung des brennbaren Gases mit der Frischluft in dem Vorraum 28 zu erreichen. In 5 ist dieses Ausführungsbeispiel einer Gemischbildungsvorrichtung 10 in einer dreidimensionalen Darstellung gezeigt.
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In 6 ist eine alternative Ausführungsform des Ventils 54 und des ersten Ringspalts 22 dargestellt. Dabei weist das Ventil 54 an seinem Ventilteller 58 einen ersten, radial innenliegenden Abschnitt 60 und einen zweiten, radial außenliegenden Abschnitt 62 auf, welcher unter einem im Vergleich zum ersten Abschnitt 60 größeren Winkel zum Ventilschaft 56 verläuft. Dadurch entsteht zwischen einer Wand 64 des Gehäuses 42 und dem zweiten Abschnitt 62 des Ventiltellers 58 ein Diffusor 50. Alternativ kann der Diffusor 50 auch, wie in 7 dargestellt zwischen zwei Gehäuseteilen oder Gehäuseabschnitten des Gehäuses 42 stromabwärts des Ventiltellers 58 ausgebildet sein.
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Um die Kleinstmengenfähigkeit der Gemischbildungsvorrichtung 10 zu verbessern, kann an dem Ventilsitz des Ventils 54 eine einfache Labyrinthdichtung vorgesehen sein. Dazu kann wie in 8 dargestellt eine Ausnehmung 66 an der Wand 64 des Gehäuses 42 vorgesehen sein, in die bei im Wesentlichen geschlossenem Ventil 54 ein Vorsprung 70 an dem Ventilteller 58 eingreift. Alternativ kann auch wie in 9 dargestellt ein Vorsprung 72 an der Wand 64 des Gehäuses 42 ausgebildet sein, welche in eine Ausnehmung 68 im Ventilteller 58 eingreift. Durch eine Profilierung der Vorsprünge 70, 72 kann der Übergang von einer Kleinstmenge an eindosiertem brennbaren Gas in einen Bereich mit größeren Gasmengen verbessert werden, wodurch der Komfort im dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors 1 verbessert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotor / Gasmotor
- 2
- Brennraum
- 3
- Ansaugkanal
- 4
- Abgaskanal
- 5
- Abgasrückführung
- 10
- Gemischbildungsvorrichtung
- 12
- Schließglied
- 14
- Öffnungsquerschnitt
- 16
- Zumessventil
- 18
- Anschluss
- 20
- Umlenkgeometrie
- 22
- erster Ringkanal
- 24
- erste Einleitstelle
- 26
- zweite Einleitstelle
- 28
- Vorraum
- 30
- Kanal
- 32
- Ausströmöffnung
- 34
- zweiter Ringkanal
- 36
- Ansaugrohr
- 38
- Leitabschnitt
- 40
- Führungsabschnitt
- 42
- Gehäuse
- 44
- geschlossener Gehäuseabschnitt
- 46
- Dichtung
- 48
- Ausgleichsvolumen
- 50
- Diffusor
- 52
- Stecker
- 54
- Ventil
- 56
- Ventilschaft
- 58
- Ventilteller
- 60
- erster Abschnitt
- 62
- zweiter Abschnitt
- 64
- Wand
- 66
- Ausnehmung
- 68
- Ausnehmung
- 70
- Vorsprung
- 72
- Vorsprung
- 74
- Sitzkante
- 76
- Dichtung
- 78
- Aufnahmeöffnung
- 80
- Wirbelschleppe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3504796 A1 [0003]
- EP 0859176 A2 [0004]
