DE102017216049A1 - Electromagnetically actuated gas valve and method for detecting gas leakage - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Gasventil (1) zum Eindosieren eines gasförmigen Brennstoffs in ein Saugrohr (2) eines Motors, insbesondere eines Gas- oder Diesel-Gas-Motors, umfassend ein unmittelbar oder mittelbar über ein Adapterstück (3) mit dem Saugrohr (2) verbindbares Gehäuse (4), in dem eine Ventilplatte (5) und ein gegenüber der Ventilplatte (5) beweglicher Ventilteller (6) zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Durchströmöffnung (7) der Ventilplatte (5) aufgenommen sind. Erfindungsgemäß ist zur Detektion einer Gasleckage mindestens ein Sensor (8, 9) im Bereich eines Auslasses (10) in das Gehäuse (4) oder in das Adapterstück (3) integriert.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion einer Gasleckage im Bereich eines Auslasses (10) eines elektromagnetisch betätigbaren Gasventils (1).
The invention relates to an electromagnetically operable gas valve (1) for dosing a gaseous fuel into a suction pipe (2) of an engine, in particular a gas or diesel gas engine, comprising a directly or indirectly via an adapter piece (3) with the suction pipe (3). 2) connectable housing (4) in which a valve plate (5) and a relative to the valve plate (5) movable valve disc (6) for releasing and closing at least one flow opening (7) of the valve plate (5) are added. According to the invention, at least one sensor (8, 9) is integrated in the housing (4) or in the adapter piece (3) in the region of an outlet (10) for detecting gas leakage.
Furthermore, the invention relates to a method for detecting a gas leakage in the region of an outlet (10) of an electromagnetically actuated gas valve (1).
Description
Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Gasventil zum Eindosieren eines gasförmigen Brennstoffs in ein Saugrohr eines Motors, insbesondere eines Gas- oder Diesel-Gas-Motors, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion einer Gasleckage im Bereich eines Auslasses eines elektromagnetisch betätigbaren Gasventils.The invention relates to an electromagnetically operable gas valve for metering a gaseous fuel into a suction pipe of an engine, in particular a gas or diesel gas engine, having the features of the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for detecting a gas leakage in the area an outlet of an electromagnetically actuable gas valve.
Stand der TechnikState of the art
Elektromagnetisch betätigbare Gasventile zum Einblasen von gasförmigen Brennstoffen in ein Saugrohr eines Gasmotors sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Beispielhaft wird auf die
Gasventile dieser Art werden in der Regel als stromlos geschlossene Ventile ausgeführt. Das heißt, dass bei unbestromtem Elektromagnet das Gasventil geschlossen ist. Bei einer Bestromung des Elektromagneten wird ein beweglicher Ventilteller angehoben, so dass eine oder mehrere Durchströmöffnungen freigegeben werden. Zum Schließen wird die Bestromung des Elektromagneten beendet, so dass Federn den Ventilteller zurückstellen, wobei der Ventilteller zur dichtenden Anlage an einem feststehenden Ventilsitzelement gelangt. Im Idealfall ist dann das Gasventil dicht verschlossen, so dass kein Gas im Wege der Leckage in das Saugrohr gelangt.Gas valves of this type are usually designed as normally closed valves. This means that when the solenoid is de-energized, the gas valve is closed. When energizing the electromagnet, a movable valve plate is raised, so that one or more flow openings are released. To close the energization of the electromagnet is terminated, so that springs return the valve disc, wherein the valve plate passes for sealing engagement with a fixed valve seat member. Ideally, then the gas valve is sealed, so that no gas enters the suction pipe by way of leakage.
Da über die Lebensdauer das Gasventil einem Verschleiß unterliegt, kann dieser zu Undichtigkeiten im Bereich der Dichtflächen führen, so dass es zu einer Gasleckage kommt. Ferner können zwischen die Dichtflächen gelangende Partikel zu einer unerwünschten Gasleckage führen. Um Schäden am Motor durch eine zu hohe Gasleckage in das Saugrohr zu vermeiden, wird daher die Leckage überwacht.Since the gas valve is subject to wear over the service life, this can lead to leaks in the area of the sealing surfaces, so that there is a gas leak. Furthermore, passing between the sealing surfaces particles can lead to an undesirable gas leakage. To prevent damage to the engine due to excessive gas leakage into the intake manifold, therefore, the leakage is monitored.
Eine bekannte Möglichkeit zur Leckagedetektion stellt die Drucküberwachung in der Gaszuleitung dar. Im Normalfall versorgt die Gaszuleitung jedoch mehrere Gasventile, so dass es mit dieser Methode unmöglich ist festzustellen, welches Gasventil undicht ist. Zudem können auf diesem Wege keine geringen Leckagemengen detektiert werden. Soll die Dichtheit eines einzelnen Gasventils überprüft werden, muss dieses ausgebaut und zu einem externen Leckageprüfstand verbracht werden. Dort kann dann, beispielsweise mittels der Druckabfallmethode, die Dichtheit des Gasventils geprüft bzw. die Leckagemenge bestimmt werden.A known possibility for leak detection is the pressure monitoring in the gas supply line. In the normal case, however, the gas supply supplies several gas valves, so that it is impossible with this method to determine which gas valve is leaking. In addition, no small amounts of leakage can be detected in this way. If the tightness of a single gas valve is to be checked, it must be removed and transported to an external leak test bench. There, then, for example by means of the pressure drop method, the tightness of the gas valve checked or the leakage amount can be determined.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung der Gasleckage eines Gasventils bei laufendem Betrieb bereitzustellen, um eine Leckage frühzeitig zu entdecken und ggf. Maßnahmen zum Schutz des Motors zu ergreifen.Based on the above-mentioned prior art, the present invention seeks to provide an apparatus and a method for monitoring the gas leakage of a gas valve during operation to detect leakage early and possibly take measures to protect the engine.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Gasventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Ferner wird das Verfahren zur Detektion einer Gasleckage mit den Merkmalen des Anspruchs 8 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem, the gas valve is proposed with the features of claim 1. Furthermore, the method for detecting a gas leakage with the features of
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das zum Eindosieren eines gasförmigen Brennstoffs in ein Saugrohr eines Motors, insbesondere eines Gas- oder Diesel-Gas-Motors, vorgeschlagene elektromagnetisch betätigbare Gasventil umfasst ein unmittelbar oder mittelbar über ein Adapterstück mit dem Saugrohr verbindbares Gehäuse, in dem eine Ventilplatte und ein gegenüber der Ventilplatte beweglicher Ventilteller zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Durchströmöffnung der Ventilplatte aufgenommen sind. Erfindungsgemäß ist zur Detektion einer Gasleckage mindestens ein Sensor im Bereich eines Auslasses in das Gehäuse oder in das Adapterstück integriert.The electromagnetically actuated gas valve proposed for metering in a gaseous fuel into a suction pipe of an engine, in particular a gas or diesel gas engine, comprises a housing which can be connected directly or indirectly to the intake manifold via an adapter piece, in which a valve plate and one opposite the valve plate movable valve plate for releasing and closing at least one flow opening of the valve plate are added. According to the invention, at least one sensor in the region of an outlet is integrated in the housing or in the adapter piece for the detection of a gas leakage.
Über den mindestens einen im Bereich des Auslasses angeordneten Sensor kann bei geschlossenem Gasventil überwacht werden, ob Gas austritt. Der Austritt von Gas lässt auf eine unerwünschte Leckage schließen, so dass diese frühzeitig erkennbar ist. Ferner kann die Leckage einem bestimmten Gasventil zugeordnet werden, da die Überwachung am Gasventil selbst stattfindet, und zwar bei laufendem Betrieb.By means of the at least one sensor arranged in the region of the outlet, it is possible to monitor, with the gas valve being closed, whether gas is escaping. The escape of gas suggests an undesirable leakage so that it can be detected early. Furthermore, the leakage can be assigned to a specific gas valve, since the monitoring takes place at the gas valve itself, during operation.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Sensor ein Ultraschallsensor. Das heißt, dass mindestens ein Ultraschallsensor vorgesehen ist, der ein Ultraschallsignal sendet und/oder empfängt, wobei die Signallaufzeit Rückschlüsse auf das umgebende Medium zulässt. Denn gasförmige Brennstoffe, wie insbesondere Erdgas, weisen eine geringere Dichte als Luft auf, so dass sich in dem gasförmigen Brennstoff bzw. in einem Erdgas-Luft-Gemisch das Ultraschallsignal schneller ausbreitet als in reiner Luft. Die Schallgeschwindigkeit steigt dabei mit zunehmendem Erdgasanteil.According to a preferred embodiment of the invention, the at least one sensor is an ultrasonic sensor. That is, at least one ultrasonic sensor is provided, which transmits and / or receives an ultrasonic signal, the signal propagation time allowing conclusions to be drawn about the surrounding medium. Because gaseous fuels, in particular natural gas, have a lower density than air, so that in the gaseous fuel or in a natural gas-air mixture, the ultrasonic signal propagates faster than in pure air. The speed of sound increases with increasing natural gas content.
Darüber hinaus kann der mindestens eine Sensor auch ein Stimmgabelsensor sein, der - basierend auf der unterschiedlichen Dichte des gasförmigen Brennstoffs gegenüber Luft - den physikalischen Effekt nutzt, dass die Dichte eines Gases die Resonanzfrequenz beeinflusst.In addition, the at least one sensor may also be a tuning fork sensor, which - based on the different density of the gaseous fuel to air - the physical Effect uses that the density of a gas affects the resonant frequency.
Das heißt, dass mindestens ein Sensor in das Gehäuse bzw. in das Adapterstück des Gasventils integriert sein muss, der eine von der Dichte des ihn umgebenden gasförmigen Mediums abhängige Größe erfasst.This means that at least one sensor must be integrated in the housing or in the adapter piece of the gas valve, which detects a dependent on the density of the surrounding gaseous medium size.
Zur Auswertung des Sensorsignals kann der mindestens eine Sensor mit einer eigenen Auswerteelektronik oder mit einer ohnehin vorhandenen Motorsteuereinheit (ECU) verbunden sein. Die Auswertung erfolgt dann automatisch. Bevorzugt wird für die automatische Auswertung ein Schwellwert definiert, ab dem eine Leckage als kritisch gilt. Wird dieser Schwellwert überschritten, kann beispielsweise ein Notstopp des Motors veranlasst werden, um einen Motorschaden zu verhindern. Bei einer Leckage unterhalb des Schwellwerts kann eine Information an einen Bediener oder an eine Aufsichtsperson erfolgen, dass demnächst ein Service durchzuführen ist. Die Kommunikation zwischen dem mindestens einen Sensor und der Auswerteelektronik bzw. der Motorsteuereinheit kann kabelgebunden oder drahtlos erfolgen.To evaluate the sensor signal, the at least one sensor can be connected to its own evaluation electronics or to an already existing engine control unit (ECU). The evaluation then takes place automatically. Preferably, a threshold is defined for the automatic evaluation, from which leakage is considered critical. If this threshold is exceeded, for example, an emergency stop of the engine can be arranged to prevent engine damage. In the case of a leakage below the threshold, information can be sent to an operator or to a supervisor that a service is about to be carried out in the near future. The communication between the at least one sensor and the transmitter or the engine control unit can be wired or wireless.
Bevorzugt ist der mindestens eine Sensor in eine mit dem Auslass in Verbindung stehende Bohrung des Gehäuses oder des Adapterstücks eingesetzt. Der Sensor kann somit in einfacher Weise im Bereich des Auslasses des Gasventils angeordnet werden. Preferably, the at least one sensor is inserted into a bore of the housing or of the adapter piece connected to the outlet. The sensor can thus be arranged in a simple manner in the region of the outlet of the gas valve.
Denn der Auslass ist der Bereich, den es zu überwachen gilt. Vorzugsweise ist der Sensor in die Bohrung des Gehäuses bzw. des Adapterstücks eingeschraubt oder eingepresst, so dass er bei Bedarf leicht zu entfernen ist, beispielsweise um den Sensor auszutauschen. Der Sensor kann somit ein Außengewinde aufweisen, das korrespondierend zu einem Innengewinde der Bohrung ausgeführt ist. Alternativ kann der Sensor ein Pressübermaß gegenüber dem Durchmesser der Bohrung aufweisen, um eine Pressverbindung herzustellen.Because the outlet is the area that needs to be monitored. Preferably, the sensor is screwed or pressed into the bore of the housing or the adapter piece, so that it is easy to remove if necessary, for example, to replace the sensor. The sensor can thus have an external thread, which is designed corresponding to an internal thread of the bore. Alternatively, the sensor may have a press interference with the diameter of the bore to make a press fit.
Sofern der mindestens eine Sensor ein Ultraschallsensor ist, wird vorgeschlagen, dass ein als Sender dienender erster Sensor und ein als Empfänger dienender zweiter Sensor sich am Auslass des Gasventils gegenüber liegen. Dadurch ist sichergestellt, dass ein vom ersten Sensor abgegebenes Ultraschallsignal vom zweiten Sensor empfangen wird, wobei die Signallaufzeit vom Sender zum Empfänger Aufschluss über eine im Auslass des Gasventils vorhandene Leckagemenge gibt. Um die erforderliche Auswertung vorzunehmen, ist vorzugsweise der als Empfänger dienende zweite Sensor an eine Auswerteeinrichtung angeschlossen.If the at least one sensor is an ultrasonic sensor, it is proposed that a first sensor serving as a transmitter and a second sensor serving as a receiver face each other at the outlet of the gas valve. This ensures that an ultrasound signal emitted by the first sensor is received by the second sensor, the signal propagation time from the transmitter to the receiver providing information about a leakage quantity present in the outlet of the gas valve. In order to carry out the required evaluation, preferably the second sensor serving as a receiver is connected to an evaluation device.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist nur ein einziger Sensor vorgesehen ist, der zugleich als Sender und Empfänger dient. In diesem Fall liegt dem Sensor am Auslass des Gasventils eine reflektierende Wandfläche gegenüber. Das durch den Sensor abgegebene Ultraschallsignal wird dann von der gegenüber liegenden Wandfläche reflektiert und vom selben Sensor empfangen. Das Signal legt dann den doppelten Weg zurück. Als vorteilhaft erweist sich, dass nur ein Sensor erforderlich ist und somit Fertigungs- und Montagekosten sinken.According to an alternative embodiment, only a single sensor is provided, which also serves as transmitter and receiver. In this case, the sensor faces a reflective wall surface at the outlet of the gas valve. The ultrasonic signal emitted by the sensor is then reflected from the opposite wall surface and received by the same sensor. The signal then returns twice the way. It proves to be advantageous that only one sensor is required, thus reducing manufacturing and assembly costs.
Der Auslass des Gasventils wird vorzugsweise durch eine zentrale Öffnung des Gehäuses und/oder durch eine zentrale Ausnehmung des Adapterstücks gebildet. Die Querschnittsform der Öffnung bzw. der Ausnehmung ist grundsätzlich beliebig, muss jedoch ausreichend groß bemessen sein, um den gasförmigen Brennstoff in das Saugrohr eindosieren zu können. Zur Ausbildung der Öffnung kann beispielsweise das Gehäuse zumindest abschnittsweise hohlzylinderförmig ausgeführt sein. Das Adapterstück kann insbesondere platten- oder ringförmig ausgeführt sein.The outlet of the gas valve is preferably formed by a central opening of the housing and / or by a central recess of the adapter piece. The cross-sectional shape of the opening or the recess is basically arbitrary, but must be sized large enough to meter the gaseous fuel into the intake manifold can. To form the opening, for example, the housing may be at least partially hollow cylinder-shaped. The adapter piece can be designed in particular plate or ring.
Vorteilhafterweise liegen sich am Auslass zwei Sensoren oder ein Sensor und eine reflektierende Wandfläche diametral gegenüber. Das Ultraschallsignal muss in diesem Fall - zumindest einmal - den gesamten Durchmesser bzw. die gesamte Breite des Auslasses durchlaufen. Auf diese Weise ist weitgehend sichergestellt, dass bei einer Undichtigkeit des Gasventils die Leckagemenge auch detektiert wird.Advantageously, two sensors or a sensor and a reflective wall surface are located diametrically opposite one another at the outlet. In this case, the ultrasonic signal must pass through the entire diameter or the entire width of the outlet, at least once. In this way it is largely ensured that in case of leakage of the gas valve, the leakage amount is also detected.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zur Detektion einer Gasleckage im Bereich eines Auslasses eines elektromagnetisch betätigbaren Gasventils zum Eindosieren eines gasförmigen Brennstoffs in ein Saugrohr eines Motors, insbesondere eines Gas- oder Diesel-Gas-Motors, vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren mindestens ein Sensor verwendet, der im Bereich des Auslasses in ein Gehäuse oder in ein Adapterstück zur Verbindung des Gehäuses mit dem Saugrohr integriert ist. Mittels des mindestens einen Sensors wird demnach der Auslassbereich des Gasventils überwacht, da der gasförmige Brennstoff über den Auslass in das Saugrohr gelangt.To solve the object mentioned above, a method for detecting a gas leakage in the region of an outlet of an electromagnetically actuable gas valve for metering a gaseous fuel into a suction pipe of an engine, in particular a gas or diesel gas engine is also proposed. According to the invention, at least one sensor is used in the method, which is integrated in the region of the outlet in a housing or in an adapter piece for connecting the housing to the suction tube. Accordingly, the outlet region of the gas valve is monitored by means of the at least one sensor, since the gaseous fuel reaches the intake pipe via the outlet.
Vorzugsweise gibt der mindestens eine Sensor Aufschluss über die Gaszusammensetzung im Bereich des Auslasses des Gasventils, so dass hierüber auf eine Leckage geschlossen werden kann. Weiterhin vorzugsweise erfasst der mindestens eine Sensor eine von der Dichte des ihn umgebenden gasförmigen Mediums abhängige Größe, da die Dichte des gasförmigen Brennstoffs, insbesondere, wenn es sich bei dem gasförmigen Brennstoff um Erdgas handelt, geringer als die von Luft ist.Preferably, the at least one sensor provides information about the gas composition in the region of the outlet of the gas valve, so that it can be concluded that leakage. Further preferably, the at least one sensor detects a dependent on the density of the surrounding gaseous medium size, since the density of the gaseous fuel, in particular, when the gaseous fuel is natural gas, is less than that of air.
Bevorzugt wird daher ein Ultraschallsensor oder ein Stimmgabelsensor als Sensor verwendet. Der Ultraschallsensor gibt ein Ultraschallsignal ab, dessen Laufzeit sich in Abhängigkeit von der Dichte des umgebenden Mediums ändert. Über die Laufzeit des Signals kann demnach auf die Gaszusammensetzung im Bereich des Auslasses des Gasventils geschlossen werden. Der Stimmgabelsensor nutzt den physikalischen Effekt, dass die Dichte des Gases bzw. der Gaszusammensetzung die Resonanzfrequenz beeinflusst. Therefore, an ultrasonic sensor or a tuning fork sensor is preferably used as the sensor. The ultrasonic sensor emits an ultrasonic signal, the transit time of which changes as a function of the density of the surrounding medium. Accordingly, the gas composition in the region of the outlet of the gas valve can be concluded over the duration of the signal. The tuning fork sensor uses the physical effect that the density of the gas or the gas composition influences the resonance frequency.
Das erfindungsgemäße Gasventil und das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
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1 einen Querschnitt durch ein Adapterstück eines erfindungsgemäßen Gasventils, -
2 einen Längsschnitt durch das Adapterstück der1 , -
3 einen schematischen Längsschnitt durch ein Gasventil, das an einem Saugrohr angeordnet ist, und -
4 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit vom Erdgasanteil in einem Erdgas-Luft-Gemisch.
-
1 a cross section through an adapter piece of a gas valve according to the invention, -
2 a longitudinal section through the adapter piece of1 . -
3 a schematic longitudinal section through a gas valve, which is arranged on a suction pipe, and -
4 a diagram showing the dependence of the speed of sound of natural gas in a natural gas-air mixture.
Ausführliche Beschreibung der FigurenDetailed description of the figures
Den
Die Gaszusammensetzung im Bereich des Auslasses
In der
Im Unterschied zur Darstellung der
Um den Sensor
Der
Im Gehäuse
Bei dem in der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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