DE2112243A1

DE2112243A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Abgasmengen einer mehrzylindrigen Verbrennungsmaschine und zur Erzielung eines schnellen UEberganges im Luft-Brennstoff-Verhaeltnis der Verbrennungsmaschine von mageren zum fetten Zustand

Info

Publication number: DE2112243A1
Application number: DE19712112243
Authority: DE
Inventors: Mc Jones Robert Wayne
Original assignee: MC JONES ROBERT WAYNE
Current assignee: MC JONES ROBERT WAYNE
Priority date: 1970-03-16
Filing date: 1971-03-13
Publication date: 1971-10-07
Also published as: FR2084700A5; CA931454A; US3650254A

Description

Robert Wayne McJones, 529 Via Del Monte, Palos Verdes Estates, Staat California (V.St.A.)

Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Abgasmengen einer mehrzylindrigen Verbrennungsmaschine und zur Erzielung eines schnellen Überganges im Luft-Brennstoff -Verhältnis der Verbrennungsmaschine vom mageren zum fetten Zustand

Die Erfindung bezieht sich auf die Verminderung von Abgas-Verunreinigungen aus mehrzylindrigen Verbrennungsmaschinen, insbesondere zur Reduzierung dieser Verunreinigungen im ultra-mageren Betrieb mit gasförmigem Brennstoff unterhalb der Vollgasstellung und während des Überganges vom brennstoffmageren Betrieb zum brennstofffetten Betrieb für volle Fahrzeugleistung.

Die Probleme der Luftverschmutzung durch Verbrennungsmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, finden starke Beachtung. Die schädlichen Abgasanteile, denen besondere Beachtung geschenkt wird, sind Stickstoffoxyde, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxyd.

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Derzeit wird viel Sorgfalt darauf verwendet, die Abgasanteile bei einem Betrieb der Maschine bei einem mageren Luft-Brennstoff-Verhältnis zu reduzieren, welches etwas magerer als das stöchiometrische ist- Eines der Probleme beim Betrieb etwas unterhalb der mageren Seite der Stöchiometrie besteht darin, daß zwar gegenüber einem fetteren Maschinenbetrieb die Abgabe unverbrannter Kohlenwasserstoffe geringer wird, dafüE aber der Anteil an Stickstoffoxyden (NO ) größer wird.

Es ist erwiesen, daß bei einem sehr mageren Betrieb einer Verbrennungsmaschine mit gasförmigem Brennstoff die Anteile an Stickstoff, Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxyd auf annehmbare Werte absinken. Speziell ist' man zur Erkenntnis gelangt, daß sich diese luftverschmutzenden Abgasbestandteile im mageren Betrieb einer Verbrennungsmaschine mit gasförmigem Brennstoff dann wesentlich verringern, wenn das Luft—Brennstoff-Verhältnis im Bereich zwischen etwa 1,25 und etwa 1,35 liegt. Die Definition für das Aquivalenzverhältnis erhält man, wenn man das wahre Luft-Brennstoff-Verhältnis durch das stöchiometrische Luft-Brennstoff-Verhältnis teilt. Damit ergibt sich:

Aquivalenzverhältnis = (Luft/Brennstoff)

(Luft/Brennstoff)

Es hat sich ebenfalls gezeigt, daß man im Zusammenhang mit einem gasförmigen Brennstoff unter Vollgas-Betriebsbedingungen zur Erzielung der höchsten Leistung ein verhältnismäßig fettes Luft-Brennstoff-Verhältnis benötigt. Genauer gesagt, der Betrieb muß hier auf der fetten Seite der Stöchiometrie erfolgen. Gerade an der mageren Grenze der Stöchiometrie jedoch befindet sich eine Zone, in der

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die NO -Abgabe einerseits und die Verbrennungsraum-Temperatur andererseits ein Maximum erreicht. Beim Wechsel vom sehr mageren zum fetten Betrieb muß daher ein Übergang zwischen Teillast-Betrieb und Hochleistungs-Betrieb erfolgen, welcher die Zone maximaler NO -Abgabe durchläuft. Je fetter das Luft-Brennstoff-Verhältnis aus dem sehr mageren Zustand heraus in Richtung auf die Zone mit maximaler NO -Abgabe wird, desto mehr NO befindet sich in den Abgasen der Maschine. Wegen der hohen Verbrennungsraum-Temperaturen in der Zone maximaler NO Abgabe mit gleichzeitigem Sauerstoff-Überschuß besteht die Gefahr, daß die Auslaßventile verbrennen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für den schnellen Wechsel des Luft-Brennstoff -Verhältnisses einer mit gasförmigem Brennstoff betriebenen Maschine aus einem sehr mageren Betrieb zu einem verhältnismäßig fetten Betrieb zu schaffen, mit der die Zone maximaler NO -Abgabe ohne die Gefahr von Maschinenschäden durchlaufen werden kann.

Bei der Lösung dieser Aufgabe wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis einer mit gasförmigem Brennstoff betriebenen Maschine beim Wechsel von einem sehr mageren Betrieb zu einem verhältnismäßig fetten Betrieb so vollzogen, daß die Zone maximaler NO -Abgabe ohne das Risiko eines Maschinenschadens, wie beispielsweise einer Auslaßventil-Verbrennung, durchlaufen werden kann. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Rückkehr vom Vollgasbetrieb zum sehr mageren Betrieb bei, einer Drosselklappen-Stellung, die unterhalb der Drosselklappen-Stellung liegt, mit welcher der fette

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Betrieb eingeleitet wurde. In ihrer bevorzugten Ausführungsform bewirkt die vorliegende Erfindung beim Wechsel vom fetten zum mageren Luft-Brennstoff-Verhältnis oder umgekehrt stabile Betriebsbedingungen, weil die Wiederkehr in den mageren Betrieb gegenüber dem Beginn des fetten Betriebes bei einer untersch iedlichen Drosselklappen-Stellung bzw. einem unterschiedlichen Ansaugstutzen-Unterdruck erfolgt.

Eine spezielle Ausführung eines Reglers innerhalb des erfindungsgemäßen Brennstoff-Systems bewirkt die Zuführung eines gasförmigen Brennstoffes, wie Erdgas oder Propangas, in einen Luft-Brennstoff-Mischer bei einem vorgegebenen Brennstoffdruck von beispielsweise 0 mm Wassersäule für normalen Teillast-Betrieb eines Fahrzeuges. (Weil gerade die Verbrennungsmaschinen von Kraftfahrzeugen die größten Sorgen hinsichtlich der Luftverschmutzung bereiten, wird dieses Anwendungsgebiet für Verbrennungsmaschinen noch häufig erwähnt werden.) Der Regler läßt bei oder nahe Vollgas den Druck des dem Brennstjff-Luft-Mischer zugeführten gasförmigen Brennstoffes schnell auf einen vorbestimmten höheren Wert von beispielsweise 125 mm Wassersäule ansteigen. Die Rückkehr vom Vollgasbetrieb zum normalen Teillast-Betrieb vollzieht sich bei einer niedrigeren Drosselklappen-Stellung als beim Wechsel vom Teillast-Betrieb zum brennstoff-fetten Betrieb. Bezogen auf den Ansaugstutzen-Druck erfolgt der Wechsel vom Teillast-Betrieb zum Vollgasbetrieb beispielsweise bei einem Unterdruck von etwa 125 mm Quecksilbersäule, während die Umkehr -vomrn Vollgas-Zu stand zum Te.illast-Zustand bei einem Unterdruck von beispielsweise 250 nun Quecksilbersäule erfolgt.

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Es hat sich gezeigt, daß ein brennstoff-fetter Betrieb den Startbedingungen der Maschine nicht dienlich ist. Dementsprechend sieht die erfindungsgemäße Einrichtung Mittel vor, welche den Brennstoffdruck im Brennstoff-Luft-Mischer im mageren Bereich belassen, bis die Maschine läuft.

Diese und andere Einzelheiten und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit einer Zeichnung und den nachgestellten Ansprüchen entnommen werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm mit der Abhängigkeit der

NO -Emission von unterschiedlichen Luft-Brennstoff-Verhältnissen, welches zum Verständnis der erfindungsgemäß gelösten Aufgabe beiträgt;

Fig. 2 ein Diagramm eines Brennstoffdruckes

in Abhängigkeit vom Ansaugstutzen-Druck, τ- ebenfalls zur Erläuterung der Arbeitsweise des Erfindungsgegenstandes;

Fig. 3 einen senkrechten Zentralschnitt durch einen erfindungsgemäßen Regler; und

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm, welches den erfindungsgemäßen Regler in seiner Zuordnung zu einem Brennstoff-System für eine Verbrennungsmaschine darstellt.

Wie bereits zuvor erwähnt, läßt sich bei mehrzylindrigen Verbrennungsmaschinen, die mit einem gasförmigen Brennstoffv wie Erdgas, bei einem sehr mageren Gemisch betrieben werden, die Abgabe von verschmutzenden Abgasanteilen, wie NO ,, unverbranntem Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxyd, wesentlich reduzieren. Wie sich aus Fig. leicht entnehmen läßt, erzielt man bei einem Betrieb mit

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einem Äquivalenz-Verhältnis zwischen etwa 1,25 und etwa.. 1,35 der Mischung aus gasförmigem Brennstoff und Luft gegenüber einem fetteren tatsächlichen Luft-Brennstoff-Verhältnis eine wesentliche Verringerung des Anteils an Stickstoffoxyden. (Das Äquivalenz-Verhältnis stellt den Quotienten aus dem wirklichen Luft-Brennstoff-Verhältnis geteilt durch das stöchiometrische Luft-Brennstoff-Verhältnis dar.)

Auf der Ordinate des Diagrammes aus Fig. 1 stellt den NO -Anteil in Millionsteln dar, gemessen nach der "7-mode driving cycle", wie in Band 33 des USA—Federal Register vom 4. Juni 1968 beschrieben. Die gezeichnete Funktionskurve für NO in Abhängigkeit vom Äquivalenz-Verhältnis gilt für Erdgas. Eine Kurve für Benzin hätte wohl die gleiche Form, jedoch ist der Wert der NO -Abgabe viel höher bei jedem gegebenen Äquivalenz-Verhältnis, und in der Gegend eines Äquivalenz-Verhältnisses von etwa 1,15 käme man bereits in den Bereich, bei dem die Maschine durch Abmagerung Fehlzündungen erzeugt. Es ist selbstverständlich erwünscht, bei zufriedenstellender Maschinenleistung den kleinstmöglichen NO -Anteil zu erzeugen. Für das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit Erdgas stellt die vertikale Linie bei dem Äquivalenz-Verhältnis von 1,25 die Fett—Grenze für normale Betriebsbedingungen unterhalb voller Leistung dar. Eine Fortsetzung des Betriebes bei fetteren Werten kann zu VentilVerbrennungen führen.. Zwischen dem stöchiometrisehen und -einem Äquivalenz-Verhältnis von ungefähr 1,2 liegt der Bereich, in dem hohe Verbrennungsraum-Temperaturen in Verbindung mit dem vorhandenen Sauerstoff zu VentilVerbrennungen und anderen Maschinenschäden führen können. Diese Grenze entspricht den höchst-

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zulässigen NO -Werten von ungefähr 350 Millionsteln. Die senkrechte Linie bei einem Äquivalenz-Verhältnis von 1,35 stellt die Grenze für befriedigenden Betrieb der Maschine mit Erdgas dar. Diese Grenze ist ein annehmbarer Wert für den Betrieb der Maschine. Überschreitet man dieses obere Äquivalenz-Verhältnis, so treten Leistungsverlust und erhöhter Brennstoffverbrauch ein. Vorzugsweise bewegt man sich unterhalb der vollen Leistung bei einem Äquivalenz-Verhältnis zwischen ungefähr 1,25 bis 1,3. Diese Wertspanne stellt eine 'Richtlinie für einen weiten Bereich von Maschinenkonstruktionen dar, in dem man ausreichende Maschinenleistung in Verbindung mit annehmbaren NO -Werten erzielen kann.

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Der Betriebszustand einer mit Erdgas als Brennstoff betriebenen Verbrennungsmaschine mit einem Äquivalenz-Verhältnis zwischen 1,2"5 bis 1,35 ist wesentlich magerer als ein Betriebszustand bei maximaler Leistung. Braucht man volle Leistung bei Vollgas-Bedingungen, so sollte ein Äquivalenz-Verhältnis auf der linken Seite von Fig. 1, also auf der fetten Seite vom stöchiometrisehen Verhältnis (Äquivalenz-Verhältnis = 1,0), oder sogar auf der linken Seite von diesem Wert im brennstoff-fetten Betriebsbereich gewählt werden.

Mit anderen Worten: Ein Betrieb mit sehr mageren Werten im Luft-^Brennstoff-Verhältnis zwischen 1,25 und 1,35 ist äiißerst günstig für Teillast-Betrieb. Ein derart magerer Betrieb empfiehlt sich jedoch nicht für volle Leiatung. Bei Vollgas sollte vielmehr ein ziemlich brennstoff-fettes Verhältnis gewählt werden, beispielsweise ;bei jeiiiem Äquivalenz-Verhältnis von ungefähr 0,9. einem Äquiyalenz-yerhältnis von 0,9 und einem

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von etwa 1,25. bis etwa 1,35 liegt die Zone der hohen NO -Abgabe. Diese Zone fällt mit einem Äquivalenz— Verhältnis von ungefähr 1,05 zusammen. Da diese Zone außerdem mit dem Bereich höchster Brennraum-Temperaturen zusammenfällt und außerdem auf der mageren Seite des stöchiometrischen Verhältnisses liegt, tritt ein Zustand ein, in dem der Sauerstoff in der Verbrennungsluft die Auslaßventile angreifen und verbrennen kann. Außerdem geht dieser Sauerstoff für die Verbrennung von Brennstoff verloren.

Deshalb ist es sehr vorteilhaft, den Wechsel von den Teillast—Äquivalenz-Verhältnissen zum Vollgas-Äquivalenz-Verhältnis so schnell wie möglich zu vollziehen.

Das Diagramm in Fig. 2 stellt die Abhängigkeit des Brennstoffdruckes vom Ansaugstutzen-Unterdruck dar. Der Brennstoffdruck ist der Druck, mit dem der Brennstoff den erfindungsgemäßen Regler verläßt. Dort fällt der Teillast-Betriebszustand mit einem Brennstoffdruck von 0 mm Wassersäule zusammen. Bei Vollgas beträgt der Brennstoffdruck 125 mm Wassersäule (bzw. 5 Zoll). Nach dem Diagramm verbleibt der Brennstoffdruck bis zum Vollgasbetrieb bei 0 mm Wassersäule. Folglich bleibt der magere Betrieb gemäß Fig. 1 zunächst erhalten. Erst zuletzt, etwa bei Vollgas bzw. einem Ansaugstutzen-Druck von 125 mm Quecksilbersäule (entsprechend 5 Zoll) spricht der Regler an und schaltet in seine Vollgas-Stellung um. Bei Vollgas und innerhalb eines Bereiches bis herunter zu beispielsweise minus 250 mm Quecksilbersäule (entsprechend minus 10 Zoll) arbeitet die Maschine dann gemäß Fig. 2 im Vollgas-Bereich. Der Übergang vom

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Teillast- zum Vollgas-Betrieb ist durch einen aufwärts gerichteten unterbrochenen Pfeil auf der rechten Seite von Fig. 2 dargestellt, während der Übergang vom Vollgas-Betrieb zum Teillast-Betrieb als abwärts gerichteter unterbrochener Pfeil auf der linken Seite des Diagrammes aufgetragen ist. Zu bemerken wäre noch, daß die Aufrechterhai tung der Vollgas-Stellung über einen erweiterten Ansaugstutzen-Druckbereich eine Instabilität im Brennstoff druck verhindert, verursacht durch vor- und rückläufige Druckänderungen bei einem festen Ansaugstutzendruck, daß aber der Vollgas-Betrieb erst eingeleitet wird, nachdem der Teillast-Bereich verlassen worden ist.

Nachfolgend wird in Verbindung mit Fig. 3 der erfindungsgemäße Regler 10 beschrieben. Der Relger 10 befindet sich in einem Reglergehäuse mit einem Boden 12, einem Deckel 14 und einem Zwischenstück 16 als Hauptbestandteilen. Zwischen den Innenwänden des Bodens 12 und der unteren Oberfläche einer Brennstoffkammer-Membran 20 wird eine Brennstoffkammer 18 gebildet. Außerdem ist eine Unterdruck-Kammer 22 vorhanden, welche von der Innenwand des Deckels 14 und der Oberseite einer Unterdruckkammer-Membran 24 eingeschlossen wird. Innerhalb des Zwischenstückes 16 und der beiden Membranen 20 und 24 wird eine dritte Kammer 27 gebildet, welche über eine Belüftung 26 in der Wandung des Zwischenstückes 16 ständig mit der äußeren Atmosphäre verbunden ist. Über diese Belüftung 26 findet ein stetiger Druckausgleich statt, wenn die Membranen 20 bzw. 24 ihre Lage verändern. Durch einen Auslaß 28 gelangt Gas in einen Brennstoff-Luft-Mischer für das diesem Regler 10 zugeordnete Fahrzeug.

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Ein Gaseinlaß 30 verbindet den Regler 10 mit einer Brennstoffleitung aus einem Vorstufenregler 130 und dient als Gaszuführung in die Brennstoffdruckkammer 18. Ein Ventilkörper 32 dient zusammen mit einem zugeordneten Ventilsitz 34 am Boden 12 zur Bemessung des Gaszuflusses in die Brennstoffdruckkammer 18. Dieser Ventilkörper 3 2 besitzt einen längeren Schaft 38, der in einer Führung 40 innerhalb eines zum Boden 12 gehörigen Ansatzes 36 so mit einem Gleitsitz gelagert ist, daß der Ventilkörper 32 eine Längsbewegung in Richtung der Führung 40 ausführen kann. Ein Hebel 42 verbindet den Schaft 38 des Ventilkörpers 32 mit einem Kniehebel 44, der am Boden 12 in einem Drehpunkt 46 drehbar gelagert ist, und dessen anderer Hebelarm über einen Drehpunkt 50 mit einem Schaft 48 drehbar verbunden ist. Bewegt sich der Schaft 48 auf der Zeichnung nach oben, so wird der Ventilkörper 32 gegen den Ventilsitz 34 gedrückt. Der Hebel 42 ist über einen Drehpunkt 52 mit dem Schaft 38 des Ventilkörpers 32 und über einen weiteren Drehpunkt 54 mit dem kurzen Hebel des Kniehebels 44 drehbar verbunden.

Der Schaft 48 ist in der Brennstoffkammer-Membran 20 mit Hilfe einer Mutter 56 verankert. Eine Scheibe 58 sorgt für die Kraftübertragung auf die Membran 20. Ein Gewindestutzen 60 ist durch die Unterdruckkammer-Membran 24 hindurchgeführt und besitzt einen Kopf 61. Eine auf das Gewinde des Gewindestutzens 60 aufgeschraubte Mutter 62 spannt die Unterdruckkammer-Membran 24 zwischen dem Kopf 61 und einer weiteren Scheibe 64 ein. Diese zweite Scheibe 64 dient der Druckverteilung auf die Unterdruckkammer-Membran 24. Eine Vorspannfeder 66 liegt über die Scheibe 64 auf der Unterdruckkammer-Membran 24 auf, während sich ihr anderes Ende an einer Gewindeplatte 68

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abstützt- Die Gewindeplatte 68 ist in einen Gewindestutzen 70 des Deckels 14 eingeschraubt. Die Federkraft der Vorspannfeder 66 gegenüber der Unterdruckkammer-Membran 24 kann einfach durch Verdrehen der Gewindeplatte 68 im Gewindestutzen 70 justiert werden.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Vollgas-Stellung liegt der Kopf 61 des Gewindestutzens 60 auf dem gegenüberliegenden Ende des Schaftes 48 auf und koppelt dabei die Vorspannfeder 66 mit der Brennstoffkammer-Membran 20. Die Federkonstante der Vorspannfeder 66 ist so gewählt, daß innerhalb der Brennstoffdruckkammer 18 der gewünschte Druck von 125 mm Wassersäule erzeugt wird. Bei Vollgas-Stellung herrscht atmosphärischer Druck sowohl in der Unterdruckkammer 22 als auch in der dritten Kammer 27. Daher wird die Vorspannfeder 66 lediglich gegen den Brennstoffdruck innerhalb der Brennstoff-Druckkammer 18, und zwar über die Brennstoffkammer-Membran 20, vorge-. r-annt. Die daraus resultierende Stellung der Brennstoffkammer-Membran 20 bestimmt die Stellung des Ventilkörpers 32 und erzielt dabei die Einregelung des gewünschten Druckes, nämlich"eines Druckes von 125 mm Wassersäule (Normalwert) im vorliegenden Ausführungsbeispiel. Hebt sich jedoch die Unterdruckkammer-Membran 24 in ihre Teillast—Stellung, so hebt sich der Kopf 61 des Gewindestutzens 60 ein gutes Stück vom Ende des Schaftes 48 ab. Die Folge davon ist, daß die Brennstoffkammer-Membran 20 bei Teillast-Betrieb eine Stellung einnimmt, in der zwischen ihren beiden Membranseiten kein Druck-unterschied vorhanden ist. Diese Lagefreizügigkeit gewährleistet, daß der Druck in der Brennstoff-Druckkammer bei Teillast—Betrieb immer 0 mm Wassersäule entspricht und sich dadurch das gewünschte Brennstoff-Luft-Verhältnis

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von 1,25 bis ungefähr 1,35 auf Äquivalenzbasis einstellt.

Vom Ende des Gewindestutzens 70 her ist eine Schraubkappe 72 mit einem zentralen Gewindeeinsatz 74 eingeschraubt. An diesem Gewindeeinsatz 74 ist ein Steuerventil 76 befestigt. Eine Nadel 78 reicht vom Gewindestutzen 60 durch den Gewindeeinsatz 74 hindurch bis in eine Bohrung 80 des Steuerventils 76. Außerdem ragt die Nadel 78 durch einen verengten Durchlaß 82 in der Bohrung 80 hindurch. Die Nadel 78 trägt einen Ansatz 84 mit vergrößertem Durchmesser, der sich außerhalb des Durchlasses 82 befindet, wenn die Unterdruckkammer-Membran 24 sich in ihrer unteren brennstoff-fetten Stellung befindet. Dadurch wird ein großer Querschnitt erzielt, durch den der Unterdruck des AnsaugStutzens einen schnellen Übergang von brennstoff-fettem zu brennstoff-materem Betrieb auslöst.

Das Steuerventil 76 besitzt ein Gehäuse 86, in dem sich ein Ventilkörper 88 in Längsrichtung dieses Gehäuses bewegen kann. Eine sich an der oberen Wandung des Gehäuses 86 abstützende Feder 90 drückt den Ventilkörper 88 in eine Schließstellung, in der er sich ander Mündung der Bohrung 80 gegen einen Ventilsitz 92 legt. Im geschlossenen Zustand des Ventilkörpers 88 dichtet der Ventilsitz 92 gegenüber den Wänden einer Ausnehmung 94 des Ventilkörpers 88 ab.

Ein Ansaugstutzen-Druckkanal 96 mündet in das Innere des Gehäuses 86, hat jedoch keine Verbindung mit der Bohrung 80, solange sich der Ventilkörper 88 in seiner Schließstellung befindet. Ein T-Stück 98, welches den Ansaugstutzen-Druckkanal 96 mit dem Ansaugstutzen selbst

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verbindet, führt mit seiner Abzweigung 99 über ein Kupplungsstück 102 ein Kniestück 104 direkt in ein Überbrückungsventil 100.

Das Überbrückungsventil 100 besitzt ein Gehäuse 106 mit einer Bohrung 108. Ein Gewindestutzen 110 ist in einen entsprechenden Gewindeansatz 112 am Deckel 14 eingeschraubt. Ein Kanal 116 innerhalb des Gewindestutzens 110 verbindet die Unterdruckkammer 22 mit dem Innenraum des Überbrückungsventils 100. Ein Ventilkörper 118 ist in seiner Längsrichtung beweglich innerhalb des Gehäuses 106 angeordnet. Außerhalb des Gehäuses 106 befindet sich ein Solenoid 120. Der Ventilkörper 118 stellt den Anker dieses Solenoiden 120 dar. Am Ende des Kniestückes 104 befindet sich ein Ventilsitz 122, der so mit dem Ventilkörper 118 zusammenwirkt, daß keine Druckverbindung zwischen dem Ansaugstutzen und der Unterdruckkammer 22 besteht, solange der Solenoid 120 nicht erregt ist. Die andere Seite der Bohrung 108 im Gehäuse 106 ist ebenfalls mit einem Ventilsitz 124 abgeschlossen, in den ein Kanal 125 mündet, welcher eine Luftfilter-Referenzdruckanzapfung darstellt. Bei erregtem Solenoid 120 schließt der Ventilkörper 118 diesen rechten Ventilsitz 124 ab und sperrt damit die Verbindung zwischen Unterdruckkammer 22 und der Referenzdruckquelle. Eine Feder 126 drückt den Ventilkörper 118 gegen Ventilsitz 122 und sperrt damit die Abzweigung 99 des T-Stückes 98 ab.

Ein verengter Durchlaß 12 7 im Kanal 125 bewirkt einen Druckabfall zwischen Luftfilter-Referenzdruckanzapfung und Unterdruckkammer 22. Die beiden Durchlässe 127 und 82 bewirken gemeinsam eine Begrenzung des Unterdruckes innerhalb der Unterdruckkammer 22 auf 125 mm Wassersäule

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gegenüber dem Ansaugstutzendruck, wenn der Regler 10 von Teillast auf Vollgas-Stellung wechselt. Dies ist notwendig, weil die Vorspannfeder 66 zwecks Erzeugung eines geregelten Brennstoffdruckes von 125 mm Wassersäule für Vollgas-Betrieb eine verhältnismäßig niedrige Federkonstante aufweist, so daß der Druck in der Unterdruckkammer 22 ohne Begrenzung den Unterdruck im Ansaugstutzen übernehmen würde, welcher beispielsweise beim Wechsel von Teillast auf Vollgas-Betrieb einen Wert von 125 mm Quecksilbersäule besitzt.

In Fig. 4 ist ein Funktionsschema für ein typisches Brennstoff-Versorgungssystem dargestellt, an dem die Merkmale der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen. Ein Tank 128 für einen gasförmigen Brennstoff, wie Erdgas oder Propan, ist über eine Leitung mit einem Vorstufenregler 130 herkömmlicher Bauart verbunden. Der Vorstufenregler 130 läßt den Brennstoffdruck von beispielsweise 160 kp/qcm für Erdgas auf etwa 3,5 bis 4 kp/ qcm abfallen. Ein im Ruhezustand geschlossenes Magnetventil 132 befindet sich in der Verbindungsleitung zwischen dem Vorstufenregler 130 und dem erfindungsgemäßen Regler 10. Der Magnet des Magnetventils 132 ist bei eingeschalteter Fahrzeugzündung offen. Auf den Hals eines Vergasers 136 ist ein Brennstoff-Luft-Mischer 134 aufgesetzt. Dieser Brennstoff-Luft-Mischer ist vorzugsweise von einer Bauart, wie sie mit USA-Patentanmeldung Nr. 858,816 vom 17. September 1969 offenbart wird. Außerdem ist er bis auf die Meßnadel dem Brennstoff-Luft-Mischer ähnlich, der aus USA-Patent Nr. 2,927,848 bekannt ist. Die Meßnadel ist abgewandelt, um den Betrieb im Bereich des Äquivalenz-Verhältnisses zwischen 1,25 und etwa 1,35 über den "7-mode cycle" zu ermöglichen, jedoch mit

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Ausnahme des Vollgas-Betriebes. Ein Drosselgehäuse 138 des Vergasers 136 ist zur besseren Darstellung übertrieben gezeichnet- Im Drosselgehäuse 138 befindet sich eine Drosselklappe 140. Der Vergaser 136 sitzt in herkömmlicher Weise auf einem Ansaugstutzen 141 einer zugehörigen Maschine 142. Ferner ist ein Starter 144 für diese Maschine 142 im Zusammenhang mit dem folgenden Beschreibungsteil dargestellt.

Eine Leitung 146 zwischen Magnetventil 132 und Regler führt zum Gaseinlaß 30 der Brennstoffkammer 18 innerhalb des Reglers 10. Eine Leitung 148 verbindet den Auslaß 28 der Brennstoffkammer 18 im Regler 10 mit dem Brennstoff-Luft-Mischer 134. Eine Leitung 150 verbindet das Steuerventil 76 und das Uberbrückungsventil 100 mit dem Ansaugstutzen 141 zwecks Abtastung des Ansaugstutzendruckes. Eine Leitung 152 verbindet des Uberbrückungsventil 100 mit einer Referenzdruckanzapfung 154,

eiche innerhalb eines Luftfilters im Brennstoff-Luft-Mis^-her 134 einem im wesentlichen dem atmosphärischen Druck entsprechenden Druck ausgesetzt ist. Über eine Leitung 156 ist der Solenoid 120 in den Stromkreis des Starters 144 einbezogen. Ein Zündschalter 158 ist zwischen einer Batterie 160 und dem Starter 144 bzw. Solenoid 120 angeschlossen. Betätigt man jetzt den Zündschalter 158 zur Betätigung des Starters 144, so wird gleichzeitig del Solenoid 120 erregt, wobei der als Anker wirkende V· ntilkörper 118 die Leitung 150 öffnet und damit für Druckausgleich zwischen dem Ansaugstutzen 141 und der Unterdruckkammer 22 im Regler 10 sorgt.

Funktionsbeschreibunq;

Die Maschine 142 wird durch Schließen des Zündschalters 158 gestartet. Gleichzeitig wird der Solenoid 120 erregt, wobei der Ventilkörper 118 über den Ventilsitz 124 die Referenzdruckanzapfung 154 bzw. Kanal 125 abschließt. Jetzt ist die Unterdruckkammer 22 des Reglers 10 über Kanal 116 und Abzweigung 99 des T-Stückes 98 mit dem Ansaugstutzen 141 verbunden. Beim Starten der Maschine 142 entsteht ein leichter Unterdruck im Ansaugstutzen 141, der ausreicht, um die Vorspannung der Vorspannfeder 66 zu überwinden und die Unterdruckkammer-Membran 24 in Fig. 3 nach oben zu drücken. Daraufhin folgt der Ventilkörper 32 der Bewegung der Brennstoffkammer-Membran 20 und stellt den Brennstoffdruck in der Brennstoff-Druckkammer 18 auf 0 mm Wassersäule ein_r weil die Brennstoffkammer-Membran 20 eine Stellung einnimmt, bei der auf ihren beiden Seiten atmosphärischer Druck herrscht.

Gleichzeitig mit der Unterdruckkammer-Membran 24 hebt die Nadel 78 den Ventilkörper 88 des Steuerventils 76 von dessen Ventilsitz 92 ab und verbindet so die Unterdruckkammer 22 des Reglers 10 mit dem Ansaugstutzen 141 der Maschine 142 über die Bohrung 80," das T-Stück 98 und die Leitung 150.

Sobald die Maschine 142 selbständig läuft, entfällt die Erregung des Solenoids 120, so daß der Ventilkörper 118 unter der Vorspannung der Feder 126 wieder in seine Ruhelage zurückkehrt und die Verbindung zwischen Unterdruckkammer 22 und Abzweigung 99 unterbricht. Bei laufender Maschine wird der negative Druck innerhalb

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der Unterdruckkammer 22 gegenüber dem Unterdruck im Ansaugstutzen 141 innerhalb der durch das Überbrückungsventil 100 geführten Referenzdruckanzapfung abgeschwächt.

Innerhalb der Betriebsphase zwischen Leerlauf bis zu annähernd Vollgas mit beispielsweise 125 mm Quecksilbersäule Ansaugstutzen-Unterdruck hebt sich die" Unterdruckkammer-Membran 24 an und befreit dabei die Brennstoffkammer-Membran 20 von der Wirkung der Vorspannfeder 66, so daß die Brennstoffkammer-Membran 20 jetzt den Ventilkörper 32 gegenüber seinem Ventilsitz 34 in eine Stellung bringen kann, in welcher sich innerhalb der Brennstoffdruckkammer 18 ein Brennstoffdruck von 125 mm Wassersäule aufbauen kann. Während der Ansaugstutzen-Unterdruck auf diesen vorbestimmten Wert absinkt, drückt die Kraft der Vorspannfeder 66 die Unterdruckkammer-Membran 24 gemäß Fig. 3 nach unten und koppelt dabei die Vorspannfeder 66 mit der Brennstoffkammer-Membran 20 zwecks Herstellung eines Brennstoffdruckes von 125 mm Wassersäule innerhalb der Brennstoff-Druckkammer 18, so daß die Stellung der Brennstoffkammer-Membran 20 und des von dieser gesteuerten Ventilkörpers 32 jetzt durch die Vorspannfeder 66 bestimmt wird. An dieser Stelle hat das Luft-Brennstoff-Verhältnis einen schnellen Stufenwechsel von etwa 1,25 bis etwa 1,35 auf 0,9 auf Äquivalenzverhältnis-Basis erfahren, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Sobald sich dieser Vollgas-Zustand eingestellt hat, schließt das Steuerventil 76 wieder die Verbindung zwischen Unterdruckkammer 2 2 und Ansaugstutzen 141. Bei Vollgas-Stellung nimmt der Druck innerhalb der Unterdruckkammer 22 den Druck an der Referenzdruck-Anzapfung 154 an, also im wesentlichen

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atmosphärischen Druck.

Bei einer vorbestimmten Drosselklappen-Stellung, die beispielsweise einem Ansaugstutzen-Unterdruck von beispielsweise 250 nun Quecksilbersäule entspricht, reicht das Vakuum innerhalb des Steuerventils 76 zusammen mit dem auf die Ausnehmung 94 ausgeübten Druck aus, den Ventilkörper 88 anzuheben und die Verbindung zwischen Unterdruckkammer 22 und Ansaugstutzen 141 wiederherzustellen. Der dickere Ansatz 84 der Nadel 78 ist so angeordnet, daß er bei voll geöffnetem Ventilkörper 88 in den verengten Durchlaß 82 eintaucht. Diese zusätzliche Verengung sorgt im Zusammenwirken mit dem anderen verengten Durchlaß 127 für den Aufbau des richtigen Druckes innerhalb der Unterdruckkananer 22. Bevor jedoch der verdickte Ansatz 84 in den verengten Durchlaß 82 eintaucht, erlaubt dieser Durchlaß 82 ein schnelles Abtasten des Ansaugstutzen-Unterdruckes innerhalb der Unterdruckkammer 2 2 zum Zwecke einer schnellen Anhebung der Unterdruckkammer-Membran 24 in ihre Teillast-Stellung,

Die vorliegende Erfindung bietet demnach die Möglichkeit für einen schnellen Wechsel von brennstoff-magerem Betrieb auf brennstoff-fetten Betrieb für volle Leistung. Dieser Wechsel vollzieht sich ausreichend schnell, so daß im wesentlichen keine Betriebszeit in der Zone maximaler NO -Erzeugung anfällt. Außerdem besteht keine Gefahr von Ventilverbrennungen, weil die Betriebszeit in dieser Zone nur äußerst kurz ist. Außerdem nennt die Erfindung Mittel, welche einen unstabilen Betrieb zwischen Vollgas-Stellung und Teillast-Stellung vermeiden, indem sie die Rückkehr zur Teillast-Stellung bei einem Ansaugstutzen-Unterdruck veranlassen, der

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wesentlich niedriger liegt, als beim umgekehrten Übergang von der Teillast-Stellung zur Vo11gas-Stellung. Ferner sieht die Erfindung Einrichtungen zur überbrückung des Steuerventils vor, um beim Starten der Maschine den Teillast-Betrieb einzuleiten.

Obwohl die Erfindung an Hand eines bestimmten Ausführungsbeispiels erläutert wurde, sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abwandlungen möglich.

Zusammenfassung der Erfindung

Bei Teillast wird eine mit einem gasförmigen Brennstoff wie Erdgas gefahrene Maschine mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis zwischen etwa 1,25 und etwa 1,35 auf Äquivalenzverhältnis-Basis betrieben. Dieser magere Betrieb wird durch einen Regler im Brennstoffsystem der Maschine vorgegeben. Der Regler hält einen vorbestimmten Brennst ffdruck bei Leerlauf- und Teillast-Betrieb ein, um das vorgenannte magere Luft-Brennstoff-Verhältnis zu halten. Bei Vollgas erhöht der Regler den Brennstoffdruck, um eine Erhöhung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses zu erreichen. Der Betrag dieser Erhöhung reicht aus, um eine Zone zu durchlaufen, in der das Maximum der Stickstoffoxyd-Erzeugung liegt und die Gefahr von Auslaßventil-Verbrennungen besteht. Der Wechsel im Luft-Brennstoff—Verhältnis erfolgt extrem schnell, um die Betriebszeit innerhalb dieser Zone auf eine unwesentlich kurze Zeitdauer abzukürzen. Der Regler bewirkt außerdem einen Übergang von fettem zu magerem Luft-Brennstoff -Verhältnis bei einer vorbestimmten Drosselklappen-Stellung, die unterhalb der Stellung liegt, bei der zuvor der Übergang zum fetten Gemisch erfolgt war.

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Claims

Ansprüche

Verfahren zur Verminderung von Verunreinigungen, wie NO , und anderen, wie sie aus dem Auspuff einer mit gasförmigem Brennstoff betriebenen mehrzylindrigen Verbrennungsmaschine abgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß Luft und Brennstoff in die Brennräume der Maschine bei deren Betrieb unterhalb Vollgas mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von etwa 1,25 bis etwa 1,.35 auf einer Äquivalenz-Basis eingeführt werden; daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis bei im wesentlichen Vollgas-Betrieb der Maschine auf einen Wert von etwa 0,9 bis 1,0 angereichert wird; und daß die Rückkehr des Luft-Brennstoff-Verhältnisses auf den mageren Wert bei einer Drosselklappen-Stellung erfolgt, welche unterhalb der Stellung liegt, die zur vorausgegangenen Anreicherung erforderlich war.
2. Brennstoffsystem zur Verminderung der Abgabe von Abgas—Verunreinigungen, wie NO und anderen, aus einer mehrzylindrigen Verbrennungsmaschine, die über einen Regler und einen Luft-Brennstoff-Mischer mit gasförmigem Brennstoff gespeist wird, und bei dem das Verfahren nach Anspruch 1 zur Anwendung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff-Luft-Mischer (134) und der Regler (10) so eingestellt sind, daß der Maschine (142) bei Drosselklappen-Stellungen unterhalb Vollgas gasförmiger Brennstoff mit einem mageren Luft-Brennstoff-Verhältnis von etwa 1,25 bis etwa 1,35 auf Äquivalenz-Basis und bei einer Drosselklappen-

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Stellung nahe Vollgas mit einem fetten Luft-Brennstoff-Verhältnis von etwas unterhalb 1 zugeführt wird, während die Rückkehr zum mageren Wert bei einer Drosselklappen-Stellung erfolgt, die unterhalb der Stellung liegt, welche zur vorherigen Anreicherung notwendig war.

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