DE3149839C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ausregel-Vorrichtung nach dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Eine derartige Ausregel-Vorrichtung ist durch betriebliche Benut­ zung durch die Patentinhaberin bekannt. Hierbei erhalten Gasmo­ toren, die einerseits mit im wesentlichen konstanter Drehzahl, andererseits aber mit wechselnden Lasten laufen, beispielsweise also zum Antrieb von Generatoren eingesetzte Gasmotoren, ein Gas- Luft-Gemisch zugeführt, das in einem Mischventil unmittelbar hinter dem Ladeluftverdichter bzw. dem diesem nachgeordneten Ladeluftkühler erzeugt wird. Das Gas wird diesem Mischventil über ein Gasdruck-Regelventil zugeführt, das den Gasdruck so steuert, daß die Differenz zwischen Gasdruck und Ladedruck der verdichteten Ladeluft jeweils vor dem Mischventil konstant ist. Dies führt dazu, daß bei plötzlichen Lasterhöhungen ein Ausregeln auf die Solldrehzahl sehr lange dauert, da der Lade­ druck der verdichteten Luft hinter dem Ladeluftverdichter erst entsprechend dem Anstieg der tatsächlich vom Motor abgegebenen Leistung ansteigt. Die Folge ist, daß derartige Ausregelvorgänge außerordentlich lange, und zwar bis über 30 Sekunden dauern. Gleichartige Probleme treten beim Starten auf. Ähnliche - wenn auch nicht derartig gravierende - Schwierigkeiten treten auf, wenn die Last plötzlich abgesenkt wird. In diesem Fall läuft der Lade­ luftverdichter noch mit entsprechend hoher Leistung weiter und liefert weiterhin einen hohen Ladedruck mit der Folge, daß auch der Gasdruck im Regelventil nicht im gewünschten Maße abgesenkt wird. Dadurch tritt ein nicht zulässiges Pumpen des Ladeluft­ verdichters auf, weil die Drosselklappe sofort schließt.

Aus der DE-OS 23 61 358 und gleichermaßen aus der DE-OS 23 23 050 ist eine Regelung für mit Flüssiggas als Kraftstoff betriebene Verbrennungsmotoren bekannt. Hierbei wird nicht verdichtete Ver­ brennungsluft in einem Vergaser mit dem flüssig zugeführten Flüs­ siggas gemischt. Ein wesentliches Problem der Kraftstoff-Regelun­ gen für solche Motoren besteht darin, daß im Augenblick des Über­ gangs von Leerlauf auf Teillast ein Druckabfall im Regler statt­ findet, wodurch das Beschleunigungsverhalten der Motoren ungünstig beeinflußt wird. Zur Lösung dieses Problems wird ein Regler mit einer Membran vorgeschlagen, an der wiederum ein Ventil zur Steue­ rung der dem Vergaser zugeführten Menge an Flüssiggas angebracht ist. Eine einer Seite der Membran zugeordnete Membrankammer wird mit dem Ist-Wert-Druck des Flüssiggases beaufschlagt. Die andere Seite der Membran wird mit der Kraft einer Feder beaufschlagt, die dem Soll-Wert-Druck des Flüssiggases entspricht. Diese Feder ist mit einer Stellvorrichtung zur Veränderung der Federkraft verbun­ den, wobei diese Stellvorrichtung elektromagnetisch arbeiten kann oder aber durch eine Membran gebildet wird, die einseitig an den Ansaugkanal des Motors angeschlossen ist. Beim Hochfahren des Motors vom Leerlauf in einen Teillastbereich wird das Ventil von seinem Sitz abgehoben, so daß eine größere Menge Flüssiggas dem Vergaser zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ausregel-Vorrich­ tung der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß die Ausregel­ zeiten bei plötzlichen Laständerungen stark verkürzt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruches 1 gelöst. Durch die Maßnahmen nach Anspruch 1 kann erreicht werden, daß bei einer plötzlichen Lasterhöhung eine überproportionale Erhöhung des Gasdruckes und damit auch der Gas­ zufuhr mit der Folge einer entsprechend starken Beschleunigung des Motors erfolgt. Hierbei liegt funktionell der Effekt einer Be­ schleunigerpumpe vor. Versuche haben gezeigt, daß die Ausregel­ zeiten bei plötzlichen, starken Lasterhöhungen von über 30 auf etwa 5 Sekunden gesenkt werden können. Die erfindungsgemäße Ein­ richtung kann weiterhin so wirken, daß bei plötzlichen Lastabsen­ kungen die Gaszufuhr stark reduziert wird mit der Folge, daß ein Pumpen des Ladeluftverdichters unterbunden wird. Gleichzeitig tritt hierdurch auch eine starke Verkürzung der Ausregelzeit ein.

Anspruch 2 gibt an, wie die Einrichtung zur Änderung der Kräfte in die Regelung des Motors integriert ist.

Anspruch 3 gibt eine besonders einfache konstruktive Lösung für die Einrichtung an, wobei Anspruch 4 eine konstruktive Lösung angibt, wie die Vorspannung der Sollwertfeder bei Laständerungen und insbesondere bei plötzlichen starken Lasterhöhungen verändert werden kann. Die gattungsgemäß vorhandene Möglichkeit zur Einstel­ lung einer Grund-Vorspannung der Sollwertfeder wird hierdurch nicht berührt.

Durch die Maßnahmen nach Anspruch 5 wird angegeben, wie durch Druckentlastung am Stellglied die entsprechende Kräfteänderung herbeigeführt werden kann, wobei diese Lösung besonders vorteil­ haft einsetzbar ist für ein Schließen des Stellgliedes bei plötz­ lichen Lastabsenkungen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfol­ gend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Gasmotor mit Generator und - vergrößert herausgezogen - ein Gasdruck-Regelventil und ein nachgeordnetes Mischventil und

Fig. 2 ein die Soll-Abhängigkeit von Last und Ladedruck darstel­ lendes Diagramm.

Ein aufgeladener Gasmotor 1 ist drehfest mit einem Gene­ rator 2 gekuppelt, den er mit konstanter Drehzahl an­ treibt. Einem Ladeluftverdichter 3 ist ein Mischventil 4 üblicher Bauart nachgeordnet, in dem die im Ladeluftverdichter 3 verdichtete Luft mit Verbrennungsgas gemischt wird. Dieses Gas wird von einer beliebigen Gasquelle 5 durch ein Gasdruck-Regelventil 6 dem Mischventil 4 zugeführt. Obwohl das Mischventil 4 un­ mittelbar am Gasmotor 1 zwischen dem Ladeluftverdichter 3 bzw. einem diesem unmittelbar nachgeordneten Ladeluft­ kühler 7 einerseits und einer Ansaugsammelleitung 8 andererseits angeordnet ist, ist das Mischventil 4 in Fig. 1 herausgezeichnet und die geschilderte Verbindung durch Luftströmungspfeile 9 und Gas-Luft-Gemischströmungs­ pfeile 10 dargestellt. Der Gasfluß ist durch Gas-Strö­ mungspfeile 11 von der Gasquelle 5 durch das Regelventil 6 zum Mischventil 4 dargestellt.

Das Regelventil 6 weist ein Stellgliedgehäuse 12 mit einem Einlaß und einem Auslaß für das Gas auf. Weiterhin ist in dem Stellgliedgehäuse 12 ein mit einer verschieb­ baren Ventilstange 13 verbundenes, als Ventilteller aus­ gebildetes Stellglied 14 angeordnet, mittels dessen der Druck des durch das Stellgliedgehäuse 12 fließenden Gases gesteuert wird.

Auf dem Stellgliedgehäuse 12 ist ein Stellantrieb 15 zum Antrieb der Ventilstange 13 und damit des Stellgliedes 14 angeordnet. Dieser weist in einem Membrangehäuse 16 eine rundum eingespannte Meßmembran 17 auf, die quer zur Ventil­ stange 13 verläuft und mittig fest mit dieser verbunden ist, so daß Auslenkungen der Meßmembran 17 zu entspre­ chenden Verschiebungen der Ventilstange 13 führen. Auf der dem Stellglied 14 zugewandten Seite ist die Meßmembran 17 mit einer Unterdruck-Sollwertfeder 18 belastet. Auf der gleichen Seite ist das Meßmembrangehäuse 16 an eine Gasleitung 19 zwischen Regelventil 6 und Mischventil 4 angeschlossen, d. h. dieser Teilraum 16 a des Membrange­ häuses 16 wird mit dem Gasdruck p _G hinter dem Regelven­ til 6 bzw. vor dem Mischventil 4 beaufschlagt.

Der Teilraum 16 b auf der anderen Seite der Meßmembran 17 wird mit der verdichteten Ladeluft vor dem Mischventil 4, also mit dem Ladedruck p _L beaufschlagt.

Von dieser Seite, also entgegengesetzt zur Unterdruck- Sollwertfeder 18 ist die Meßmembran 17 mit einer Über­ druck-Sollwertfeder 20 beaufschlagt, deren Vorspannung veränderbar ist. Sie ist in einem Führungsrohr 21 ange­ ordnet, das mit dem Membrangehäuse 16 verbunden ist. In­ soweit als das Regelventil 6 bis hierher beschrieben ist, ist es bekannt und handelsüblich.

Im Führungsrohr 21 ist ein Anschlagteller 22 verschiebbar geführt, gegen den die Sollwertfeder 20 anliegt. Auf der der Sollwertfeder 20 abgewandten Seite ist der Anschlag­ teller 22 mit der Kolbenstange 23 eines druckmittelbeauf­ schlagbaren Hubantriebs 24 verbunden. Der Anschlagteller 22 liegt auf seiner der Sollwertfeder 20 abgewandten Seite gegen eine im Führungsrohr 21 mittels eines Gewindes 25 verstellbare Stellschraube 26 an, mittels derer die Grund­ vorspannung der Sollwertfeder 20 einstellbar ist. Das zylindrische Gehäuse 27 des Hubantriebs 24 ist - gege­ benenfalls frei drehbar - mit der Stellschraube 26 ver­ bunden und gegebenenfalls gegenüber dieser in axialer Richtung einstellbar. Der druckmittelbeaufschlagbare Hubantrieb 24 ist einfachwirkend, d. h. bei Beaufschlagung mit einem Druckmittel wird die Kolbenstange 23 um einen vorgegebenen Betrag aus dem Gehäuse 27 ausgefahren und verschiebt damit den Anschlagteller 22 entsprechend unter gleichzeitiger Erhöhung der Vorspannung der Sollwertfeder 20. Bei Druckentlastung wird die Kolbenstange 23 von der Sollwertfeder 20 über den Anschlagteller 22 zurück ins Gehäuse 27 geschoben.

Das Mischventil 4 weist ein Mischergehäuse 28 auf, das einerseits einen Lufteintritt 29 und andererseits einen Gaseintritt 30 aufweist. Die durch den Lufteintritt 29 eintretende Luft strömt entsprechend den Strömungs­ pfeilen 9 in einen Mischraum 31. Dem Gaseintritt 30 ist ein Gas-Dosierkegel 32 nachgeordnet, der durch den Gas­ druck von seinem Sitz abgehoben wird, so daß das Gas ebenfalls in den Mischraum 31 strömen kann, wo es mit der verdichteten Ladeluft gemischt wird. Von dort strömt das Gemisch über eine Drosselklappe 33 in die Ansaug-Sammelleitung 8. Der Dosierkegel 32 ist mit einer Regelmembran 34 verbunden und ist außerdem mittels einer Druckfeder 35 belastet. Die Regelmembran 34 ist in Schließrichtung des Dosierkegels 32 über eine Bohrung 36 mit dem Druck p _M im Mischraum 31 belastet. In der entgegengesetzten Rich­ tung, also in Öffnungsrichtung des Dosierkegels 32, ist die Regelmembran 34 mit dem Ladedruck p _L belastet. Das Mischventil 4 ist ebenfalls bekannt und handelsüblich.

Die Drosselklappe 33 wird von der Regelstange 37 eines Drehzahlreglers 38 je nach Last zwischen einer - ausgezogen dargestellten, also weitgehend geöffneten - Vollaststellung und einer - gestrichelt dargestellten, also geschlossenen - Nullaststellung verschwenkt.

Die Funktion ist unter Außerachtlassung des Hubantriebs 24 wie folgt, wobei gleichzeitig auf das Diagramm nach Fig. 2 Bezug genommen wird:
Da die Meßmembran 17 des Regelventils 6 einerseits mit dem Ladedruck p _L und andererseits mit dem Gasdruck p _G - jeweils vor dem Mischventil 4 - beaufschlagt wird, ist - bei stationärer Last am Generator 2 - die Differenz von Ladedruck p _L einerseits und Gasdruck p _G andererseits vor dem Mischventil 4 bei allen Lastzuständen konstant, wobei die Größe dieser Differenz durch die Grundvorspan­ nung der Sollwertfeder 20 vorgegeben wird. Der die Regelmembran 34 einerseits beaufschlagende Ladedruck p _L und der den Dosierkegel 32 andererseits beaufschlagende Gasdruck p _G halten dem die Regelmembran 34 von der anderen Seite beaufschlagenden Mischraumdruck p _M und der Druckfeder 35 das Gleichgewicht.

Wenn der Gasmotor 1 plötzlich entlastet wird, dann wird die Drosselklappe 33 vom Drehzahlregler 38 über die Regelstange 37 geschlossen mit der Folge, daß der Mischraumdruck p _M ansteigt. Dies führt dazu, daß der Dosierkegel 32 von der Regelmembran 34 geschlossen wird. Die Energiezufuhr zum Gasmotor 1 fällt also ab. Nach dem Ausregelvorgang stellt sich entsprechend der niedrigeren Leistung ein niedrigerer Ladedruck p _L und entsprechend ein niedrigerer Gasdruck p _G ein.

Wenn dagegen plötzlich Last auf den Generator 2 aufgeschal­ tet wird und damit die vom Motor 1 geforderte Leistung steigt, dann fällt die Motordrehzahl mit der Folge ab, daß die Drosselklappe 33 über die Regelstange 37 des Drehzahlreglers 38 geöffnet wird. Die Beschleunigung des Motors 1 ist aber nur sehr gering, da der Gasdruck p _G nur in dem Maße ansteigt, wie der Ladedruck p _L zunimmt. Dieser nimmt aber nur entsprechend der tatsäch­ lich vom Motor 1 erbrachten Leistung zu. Um die hier­ durch bedingte sehr lange Ausregelzeit von 30 Sekunden und mehr zu verkürzen, wird durch Druckmittelbeaufschla­ gung des Hubantriebs 24 dessen Kolbenstange 23 mit dem Anschlagteller 22 in Richtung auf die Meßmembran 17 mit der Folge verstellt, daß die Vorspannung der Sollwert­ feder 20 zunimmt, d. h. die vorgegebene Druckdifferenz zwischen Gasdruck p _G und Ladedruck p _L wird erhöht mit der Folge, daß die Gaszufuhr zum Gasmotor 1 während der Beschleunigungszeit drastisch erhöht wird. Die Funktion ist also ähnlich wie bei einer Beschleunigungspumpe.

Die Druckmittelbeaufschlagung des Hubantriebes 24 erfolgt über ein Magnetventil 39 und eine entsprechende Druck­ mittelleitung 4 o. Das Magnetventil 39 wird von einem Regelgerät 41 angesteuert, auf dessen einen Eingang 42 der Ladedruck p _L hinter dem Ladeluftverdichter 3 als entsprechendes elektrisches Signal aufgegeben wird. Auf einen zweiten Eingang 43 des Regelgerätes 41 wird ein die Ist-Last des Generators repräsentierendes Signal aufgegeben, das entweder aus der Stellung der Regel­ stange 37 oder aus der Belastung des Generators 2 abge­ leitet wird. Im Regelgerät 41 ist als Sollwert die in Fig. 2 dargestellte Abhängigkeit von Last und Ladedruck p _L vorgegeben. Außerdem ist ein - in Fig. 2 schraffiert dargestelltes - Toleranzfeld von beispielsweise ±10% vorgegeben, um nur dann eine Ansteuerung des Magnetventils 39 und damit eine Änderung der Differenz von Gasdruck p _G und Ladedruck p _L vorzunehmen, wenn größere Abweichungen der Ist-Last von der einem bestimmten Ladedruck p _L ent­ sprechenden Soll-Last auftreten.

Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform führt dazu, daß der geschilderte Effekt nur bei Erhöhung der Ist-Last während des Betriebes und gleichermaßen selbst­ verständlich auch beim Starten auftritt. Bei plötzlichen Lastsenkungen liefert der Ladeluftverdichter 3 aber noch - für die verringerten Lastanforderungen - zuviel Lade­ luft mit der Folge, daß aufgrund der geschilderten Wir­ kungsweise des Regelventils 6 weiterhin zuviel Gas dem Motor zugeführt wird. Wenn hierfür vorgesehen wird, die Vorspannung der Sollwertfeder 20 unter ihre Grund­ vorspannung abzusenken, dann kann in einem solchen Fall die Gaszufuhr für den Ausregelvorgang überproportional abgesenkt werden, so daß ebenfalls auch bei Lastsenkungen eine außerordentlich starke Verkürzung der Ausregelzeit eintritt. Außerdem wird ein Pumpen des Ladeluftver­ dichters 3 unterbunden. Eine solche Maßnahme könnte beispielsweise durch eine entgegengesetzt wirken­ de, mit dem Gehäuse 27 gekoppelte zweite Hubeinrichtung erreicht werden. Entsprechend müßten zwei Ausgänge des Regelgeräts 41 vorgesehen werden.

Als vorteilhafter hat sich aber erwiesen, dem Teilraum 16 b den Ladedruck p _L über ein Magnetventil 44 zuzuführen, das in seiner Normalstellung - wie oben geschildert - dem Teilraum 16 b den Ladedruck p _L am Ausgang des Lade­ luftverdichters 3 bzw. des Ladeluftkühlers 7 zuführt. Dieses Magnetventil 44 kann in der Weise umgeschaltet werden, daß einerseits der Ladedruck vom Ladeluftver­ dichter 3 her abgeschaltet wird und gleichzeitig der Teilraum 16 b entlüftet wird. Eine solche Umsteuerung erfolgt von einem entsprechenden Ausgang 45 des Regelge­ rätes 41 her. Der Effekt ist der gleiche, als wenn die Vorspannung der Sollwertfeder 20 abgesenkt würde, d. h. das Stellglied 14 wird überproportional geschlossen mit der Folge, daß der Gasdruck überproportional abgesenkt wird.

Umgekehrt könnte ein vergleichbares Ventil dem Teilraum 16 a mit der Folge vorgeschaltet werden, daß dieser vom Gasdruck p _G getrennt und (teilweise) entlüftet würde. In einem solchen Fall wäre die Maßnahme zur Erhöhung der Vorspannung der Sollwertfeder 20 nicht notwendig. In diesem Fall wäre der Ausgang 46 des Regelgerätes 41, der in Fig. 1 auf das Magnetventil 39 geschaltet ist, auf dieses nicht dargestellte Magnetventil zu schalten.

Claims (5)

1. Ausregel-Vorrichtung für einen mit konstanter Drehzahl laufen­ den aufgeladenen Gasmotor, mit einem über die Motorabgase betrie­ benen Ladeluftverdichter und mit einem diesem nachgeordneten, der Drosselklappe vorgeordneten Mischventil, in dem die verdichtete Ladeluft mit dem Verbrennungsgas gemischt wird und dem ein Gas­ druck-Regelventil vorgeordnet ist, das bei jeweils konstanter Last in Abhängigkeit von einer einstellbaren Vorspannung einer Soll­ wertfeder mittels eines Stellgliedes den Gasdruck derart regelt, daß die Differenz zwischen Gasdruck und Ladedruck der verdichteten Ladeluft jeweils vor dem Mischventil konstant ist, wobei das Stellglied in einer Richtung mit der Kraft der Sollwertfeder und einer vom Ladedruck ausgeübten Kraft und in entgegengesetzter Richtung mindestens mit einer vom Gasdruck ausgeübten Kraft beauf­ schlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine bei plötzlichen Laständerungen ansprechende Einrichtung zur Änderung mindestens einer der Kräfte vorgesehen ist, derart, daß bei Erhöhung der Last die Differenz zwischen Gasdruck (p _G ) und Ladedruck (p _L ) erhöht und bei Absenkung der Last reduziert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der Einrichtung ein Regelgerät (41) vorgesehen ist, dem jeweils ein den Ladedruck (p _L ) und ein die Ist-Last repräsen­ tierendes Signal aufgegeben wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Änderung der Vorspannung der Sollwertfeder (20) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwertfeder (20) gegen einen mittels eines druckmittelbeauf­ schlagbaren Hubantriebes (24) verstellbaren Anschlagteller (22) anliegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung mindestens ein Ventil (Magnetventil 44) zur Entlüftung des den Gasdruck (p _G ) bzw. den Ladedruck (p _L ) enthaltenden Teil­ raums (16 a bzw. 16 b) des Gasdruck-Regelventils (6) aufweist.