DE4035807A1 - Differenzdruckregelventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Differenzdruckregelventil gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einer mit Flüssiggas betriebenen, aus der EP-A 86 348 be­ kannten Brennkraftmaschine wird ein gattungsgemäßes Differenz­ druckregelventil zur Regelung der dem Ansaugtrakt in Abhängig­ keit der vorgegebenen Brennkraftmaschinenlast einzubringenden Flüssiggasmenge eingesetzt. Da der Kraftstoff bis zum Eintritt in den Ansaugtrakt noch in einem flüssigen Aggregatszustand vorliegen soll, und das gesamte Förderleitungssystem demzufolge unter einem relativ hohen Förderdruck (mehrere bar) gehalten ist, kann der Querschnitt der aus dem zweiten Druckraum her­ ausführenden Fluidförderleitung relativ klein gewählt werden, so daß die aus dem Druck in dieser Fluidförderleitung resul­ tierende, auf die die beiden Druckräume trennende Membran wir­ kende Druckkraft, - welche stark lastabhängig ist -, auf das Kräftegleichgewicht an der Membran nur einen vernachlässigbaren Einfluß hat. Für den Fall, daß der Kraftstoff nun nicht in flüssiger Form, sondern schon gasförmig gespeichert ist (z. B. im Falle von Biogasnutzung bei Stationärmotoren), also nur ein relativ geringer Förderdruck (Gasvordruck) im Bereich einiger mbar vorliegt, ist der Querschnitt der Fluidförderleitung für die benötigten Volumenströme bei weitem zu gering. Wird demzu­ folge der Querschnitt dieser Fluidförderleitung entsprechend größer gewählt, hat dies zur Folge, daß der Einfluß der aus dem Druck in dieser Leitung resultierenden, auf die Membran wirkenden lastabhängigen Druckkraft nicht mehr vernachlässigbar ist. Dies hat zur Folge, daß insbesondere dann, wenn der Kraftstoff stromab der Drosselklappe eingebracht, bzw. bei ge­ ringem Gasvordruck angesaugt wird, im niederen Lastbereich, also bei fast geschlossener Drosselklappe, die erforderliche Gasmenge zwischen Membran und Fluidförderleitung nicht mehr in ausreichendem Maße durch den Fluidförderspalt gefördert werden kann, eben weil der Unterdruck in der Fluidförderleitung die Membran zu stark gegen Fluidförderleitung zieht. Ein Betrieb dieses Systems ist daher im unteren Lastbereich nicht mehr möglich. Würde die Membranfläche selbst derart vergrößert wer­ den, daß wiederum die Querschnittsfläche der Fluidförderleitung vernachlässigbar wäre, so würde das Differenzdruckregelventil einen übergroßen Raum in Anspruch nehmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Differenz­ druckregelventil der im Oberbegriff des Hauptanspruches be­ schriebenen Art zu schaffen, welches auch zur Förderung von Gasen mit nur geringem Gasvordruck einsetzbar ist, dessen geo­ metrische Abmessungen aber im wesentlichen die gleichen sind wie die eines zur Förderung flüssiger Stoffe verwendeten Differenzdruckregelventiles.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die Aufhebung der aus dem Druck in der Fluidförderleitung resultierenden Kraft ist deren Einfluß auf das Kräftegleichge­ wicht an der die beiden Druckräume trennenden Wandung (Membran) und damit auf den Förderstrom nicht nur vernachlässigbar, son­ dern überhaupt nicht mehr vorhanden. Der Querschnitt der Flu­ idförderleitung kann damit, - unabhängig von der Fläche der die beiden Druckräume trennenden Wandung -, so ausgelegt werden, daß selbst bei maximalem Unterdruck in der Fluidförderleitung noch ein ausreichender Gasstrom durch den Fluidförderspalt gefördert werden kann. Der Einfluß der aus dem Druck in der Fluidförder­ leitung resultierenden Kraft auf das Kräftegleichgewicht an der Membran ist bei einem ausschließlich nur für flüssige Stoffe verwendeten Differenzdruckregelventil, wie schon gesagt, zwar nur gering, jedoch wird durch die erfindungsgemäße Kompensation dieser Kraft auch bei solchen Differenzdruckregelventilen noch eine Verbesserung bei der Kraftstoffzumessung erzielt.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist eine besonders ein­ fache und damit kostengünstige Lösung aufgezeigt.

Wird, wie mit Anspruch 3 vorgeschlagen, der dem zweiten Druck­ raum zugewandte Teilraum noch von dem Druck in dem zweiten Druckraum beaufschlagt, so entspricht die wirksame Fläche, auf welche der Druck im zweiten Druckraum wirkt, nicht nur der Membranfläche um die Fluidförderleitung herum, sondern der ge­ samten Membranfläche. Die aus dem Druck in dem zweiten Druck­ raum resultierende und auf die Membran wirkende Druckkraft wird durch diese Maßnahme vergrößert, was sich besonders bei einem im Vergleich zum Druck im ersten Druckraum geringen Druck im zweiten Druckraum vorteilhaft auf die Kraftstoffzumessung aus­ wirkt.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 4 wird ein vollkommen li­ nearer Verlauf der Änderung der Größe des Fluidförderspaltes erzielt, denn die von der Masse auf die Membran wirkende Ge­ wichtskraft ist bei jeder Auslenkung der Membran immer gleich, im Gegensatz zu einer Federkraft, deren auf die Membran ausge­ übte Kraft nicht konstant, sondern abhängig von der Auslenkung der Feder selbst ist. Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 eignet sich vornehmlich für einen stationären Einsatz des Differenz­ druckregelventils, wie z. B. bei Stationärmotoren.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgezeigt. Im einzelnen zeigt in Form von Prinzipdarstellungen

Fig. 1 die Anordnung eines erfindungsgemäßen Differenzdruckregelventiles beim Einsatz in einer mit Gas betriebenen Brennkraftmaschine und

Fig. 2 den Aufbau des erfindungsgemäßen in Fig. 1 mit 6 bezeichneten Differenzdruckregelventiles.

Fig. 1 zeigt eine gemischverdichtende, ausschließlich im sta­ tionären Betrieb eingesetzte Hubkolbenbrennkraftmaschine 1, in deren Ansaugleitung 2 eine Drosselklappe 3 zur Vorgabe der Brennkraftmaschinenlast eingesetzt ist. Betrieben wird die Brennkraftmaschine 1 mit einem gasförmigen Kraftstoff, welcher unter nur geringem Vordruck (ca. 10 mbar) aus einem Vorratsbe­ hälter 4 entnommen wird. Das Gas wird über die Leitung 5 einem erfindungsgemäßen, in Fig. 2 noch näher beschriebenen Diffe­ renzdruckregelventil 6 zugeführt, wobei die Leitung 5 sich in zwei Zuführleitungen 7 und 8 gabelt, von denen die erste 7 an einen ersten Druckraum 9 (s. Fig. 2) und die zweite 8 an einen zweiten Druckraum 10 (s. Fig. 2) angeschlossen ist. Die beiden Druckräume 9 und 10 sind durch eine als elastische Membran 11 ausgebildete bewegliche Wandung voneinander getrennt. Der Querschnitt der zweiten Zuführleitung 8 ist an einer Drossel­ stelle 12 in Abhängigkeit der Brennkraftmaschinenlast, also in Abhängigkeit der Stellung der Drosselklappe 3 (Pfeil 13) derart veränderbar, daß der Querschnitt der Zuführleitung 8 unter Vollastvorgabe (vollständig geöffnete Drosselklappe 3) nur minimal verringert ist und mit kleiner werdender Last entspre­ chend weiter verringert wird. Zwischen Änderung der Lastvorgabe (Betätigung der Drosselklappe 3) und Änderung der Drosselung des Gasstromes an der Drosselstelle 12 ist ein linearer Zusam­ menhang gegeben. Mit dem Differenzdruckregelventil 6 wird der Druckabfall an der Drosselstelle 12 und damit die Differenz der Drücke p₁ und p₂ in den beiden Druckräumen 9 und 10 konstant gehalten, unabhängig von dem geförderten Gasvolumenstrom. Im Verlauf der Leitung 5 ist ferner ein nicht näher beschriebener Druckregler 14 vorgesehen, mit welchem der Systemdruck, d. h. der Druck in dem Leitungssystem vor dem Differenzdruckregel­ ventil 6 bzw. vor der Drosselstelle 12 konstant gehalten werden kann. Das über die Zuführleitung 8 in den zweiten Druckraum 10 geförderte Gas wird über eine Fluidförderleitung 15 einer in der Ansaugleitung 2 eingeschraubten Düse 16 zugeführt, über welche es im Bereich der Einlaßventile (in der Zeichnung nicht dargestellt) kontinuierlich in den Einlaßtrakt eingebracht wird. Mit 17 und 18 sind zwei Verbindungsleitungen dargestellt, deren Funktion in der Fig. 2 näher beschrieben ist.

In Fig. 2 ist der Aufbau des Differenzdruckregelventiles 6 im einzelnen dargestellt. In einem zweigeteilten, bezüglich der Längsachse 19 rotationssymmetrisch ausgebildeten Gehäuse 20 sind durch die zwischen Gehäuseoberteil 21 und Gehäuseunterteil 22 eingespannte elastische Membran 11 der erste 9 und der zweite Druckraum 10 voneinander getrennt angeordnet. In den ersten Druckraum 9 mündet die erste Zuführleitung 7 und in den zweiten Druckraum die zweite Zuführleitung 8, deren Querschnitt an der Drosselstelle 12 brennkraftmaschinenlastabhängig verän­ derbar ist. An sowohl der Oberseite als auch an der Unterseite der Membran 11 ist je eine Platte 23 bzw. 24 befestigt, wobei die Platte 24 zwei Anschlagnasen 25 aufweist, welche bei der maximalen Auslenkung h=h_max der Membran 11 (maximale Gasför­ dermenge) in Richtung des ersten Druckraumes 9 gegen einen An­ schlag 26 im unteren Gehäuseteil 22 anlaufen. Aus dem zweiten Druckraum 10 ragt die bezüglich der Längsachse 19 ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildete Fluidförderleitung 15 heraus, welche mit der Platte 23 einen Förderspalt 27 begrenzt, dessen Größe bzw. dessen Höhe h ein Maß für den durch die Fluidförderleitung 15 strömenden Gasvolumenstrom ist. Die ma­ ximale Höhe h_max des Förderspaltes 27 gibt damit den maximalen Gasvolumenstrom, d. h. die Kraftstoffmenge bei Vollast der Brennkraftmaschine 1 vor. Um eine ausreichende Gasmenge durch den Förderspalt 27 auch in niederen Lastbereichen fördern zu können, weist die Fluidförderleitung 15 im Bereich des Spaltes 27 einen relativ großen Querschnitt A₃ auf, welcher sich noch innerhalb des Gehäuses 20 kontinuierlich auf den Normalquer­ schnitt A_FFL der Fluidförderleitung 15 verringert.

In dem ersten Druckraum 9 ist hermetisch von diesem ein Kom­ pensationsraum abgetrennt, welcher durch eine weitere als ela­ stische Membran 29 ausgebildete bewegliche Wandung, deren Flä­ che A₃′ gleich groß ist wie die Querschnittsfläche A₃ der Flu­ idförderleitung 15 im Bereich des Fluidförderspaltes 27, in zwei Teilräume 30 und 31 unterteilt ist. An dieser weiteren Membran 29 ist eine Aufnahmevorrichtung 41 befestigt, in welche ein Bolzen 32 an seinem einen Ende eingeschraubt ist. Dieser Bolzen 32 ist ferner mit den beiden Platten 23 und 24 ver­ schraubt, so daß die beiden Membranen 11 und 29 starr mitein­ ander verbunden sind. Die hermetische Abtrennung des Kompensa­ tionsraumes von dem ersten Druckraum 9 ist durch einen auf dem Gehäuseinnenbund 33 angeschraubten Deckel 34 realisiert, welcher eine Bohrung 35 aufweist, durch die der die beiden Membranen 11 und 29 starr miteinander verbindende Bolzen 32 hindurchgeführt ist. An dem am Bolzen 32 vorgesehenen Bund 28, gegen welchen die beiden Platten mit der dazwischenliegenden Membran 11 fest verschraubt sind und an dem Deckel 34 ist eine gasundurchlässige, relativ steife Manschette 36 befestigt, durch welche eine druckausgleichende Verbindung des ersten Druckraumes 9 mit dem Teilraum 30 verhindert wird. Die wirksame Fläche A₃′ der weiteren Membran 29 und die Fläche A₃ der Flu­ idförderleitung 15 im Bereich des Förderspaltes 27 sind gleich groß. Über die Bohrung 37 im Gehäuseunterteil 22 ist die erste Zuführleitung 7 an den ersten Druckraum 9 und über die Bohrung 38 im Gehäuseoberteil 21 die zweite Zuführleitung 8 an den zweiten Druckraum 10 angeschlossen. Der in dem ersten Druckraum 9 herrschende Druck ist mit p₁, der im zweiten Druckraum 10 mit p₂ und der in der Fluidförderleitung 15 mit p₃ bezeichnet. Der dem zweiten Druckraum 10 abgewandte Teilraum 31 ist über die Verbindungsleitung 18, welche teilweise in der Wandung 39 der Fluidförderleitung 15 verläuft, von dem Druck p₃ in der Fluid­ förderleitung 15 beaufschlagt. Der dem zweiten Druckraum 10 zugewandte Teilraum 30 hingegen wird über die Verbindungslei­ tung 17 von dem Druck p₂ im zweiten Druckraum 10 beaufschlagt.

Während des Betriebes der Brennkraftmaschine 1 wird nun dem Differenzdruckregelventil 6 über die beiden Zuführleitungen 7 und 8 ständig gasförmiger Kraftstoff zugeführt. Die Förderung des Gases erfolgt dabei durch den im Vorratsbehälter 4 vorhan­ denen Überdruck, wobei der Systemdruckregler 14 einen kon­ stanten Systemdruck einstellt, welcher bei ca. 10 mbar Über­ druck liegt. Auf das System der beiden starr miteinander ge­ koppelten Membranen 11 und 29 wirken während des Betriebes nun folgende Kräfte.
F₁ die aus dem auf die Fläche A₁ wirkenden Druck p₁ resultierende Druckkraft (F₁=p₁ _* A₁),
F₂ die aus dem auf die Ringfläche A₂ wirkenden Druck p₂ resultierende Druckkraft (F₂=p₂ _* A₂), wobei die Fläche A₂ gleich der Differenz aus der Fläche A₁ und der Querschnittsfläche A₃ der Fluidförderleitung 15 im Bereich des Fluidförderspaltes 27 ist (F₂=(A₁-A₃) _* p₂),
F₃ die aus dem auf die Fläche A₃ (Querschnittsfläche der Fluidförderleitung 15 im Bereich des Fluidförderspaltes 27) wirkenden Druck p₃ resultierende Druckkraft (F₃=p₃ _* A₃),
F₃′ die aus dem auf die weitere Membran 29 (Fläche A₃′) im Teilraum 31 wirkenden Druck p₃ resultierende Druckkraft,
F₂′ die aus dem auf die weitere Membran 29 (Fläche A₃) im Teilraum 30 wirkenden Druck p₂ resultierende Druckkraft und
F_g die von den beiden mit der Membran 11 verbundenen Platten 23 und 24 ausgeübte Gewichtskraft.

Da durch die erfindungsgemäße Verbindungsleitung 18 sowohl in dem Teilraum 31 als auch in der Fluidförderleitung 15 der Druck p₃ herrscht und die Querschnittsfläche A₃′ der weiteren Membran 29 und die Querschnittsfläche A₃ der Fluidförderleitung 15 im Bereich des Fluidförderspaltes 27 gleich groß sind, sind auch die beiden Kräfte F₃ und F₃′ dem Betrag nach gleich groß. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Differenzdruckregelventiles 6 be­ wirkt aber darüber hinaus, daß diese beiden Kräfte F₃ und F₃′ genau entgegengerichtet zueinander sind. Dies bedeutet, die beiden Kräfte F₃ und F₃′ kompensieren einander, so daß sie keinerlei Einfluß auf die Auslenkung des Membransystems mehr haben.

Die aus den Auslenkungen der elastischen Membranen 11 und 29 sich ergebenden Spannkräfte sind vernachlässigbar, da im Be­ trieb nur minimale Auslenkungen auftreten.

Die Gesamtfläche, auf welche der Druck p₂ wirkt setzt sich zu­ sammen aus der Ringfläche A₂ =A₁-A₃ im zweiten Druckraum 10 und der Fläche A₃′ der weiteren Membran 29 im Teilraum 30. Da nun die Fläche A₃′ der weiteren Membran 29 und die Fläche A₃ der Fluidförderleitung 15 im Bereich des Fluidförderspaltes 27 gleich groß sind, wirkt somit der Druck p₂ auf eine gleich große Fläche, nämlich auf A₂ + A₃′, wie der Druck p₁, welcher auf die Gesamtfläche A₁ (A₁ = A₂ + A₃) wirkt.

Während der Kraftstofförderung stellt sich nun an dem Membran­ system immer ein Gleichgewicht aller angreifenden Kräfte ein. Wird z. B. über die Drosselklappe 3 (Fig. 1) eine hohe Last vorgegeben, also ein großer Gasvolumenstrom gefordert, so wird der Drosselung an der Drosselstelle 12 entsprechend reduziert, der Druck p₂ im zweiten Druckraum 10 steigt entsprechend an, was zur Folge hat, daß sich das Membransystem in Richtung "Vergrößerung" des Förderspaltes 27 bewegt (in Richtung des Pfeiles 40) und zwar genau so weit, bis sich wieder die kon­ stante Differenz der beiden Drücke p₁ und p₂ eingestellt hat. Genau dann sind alle auf das Membransystem wirkenden Kräfte wieder im Gleichgewicht. Die Höhe der Differenz der beiden Drücke p₁ und p₂ wird dabei von der Größe der Gewichtskraft F_g, also von der Masse des Membransystems bestimmt. Die Masse der Membranen 11 und 29 einschließlich der Aufnahmevorrichtung 41 sind im Vergleich zu der Masse der beiden Platten 23 und 24 vernachlässigbar klein.

Der Förderspalt 27 kann maximal die Höhe h = h_max erreichen und zwar dann, wenn die beiden Anschlagnasen 25 an dem Vorsprung 26 im Gehäuseunterteil 22 anliegen. Dies ist bei voll geöffneter Drosselklappe 3 (Vollast) der Fall.

Soll nun die Brennkraftmaschinenlast wieder verringert werden, so wird auch wieder die Drosselung des Gasstromes an der Dros­ selstelle 12 verstärkt, der Druck p₂ fällt demzufolge zunächst einmal ab, was wiederum zu einer Bewegung des Membransystems in Richtung "Verringerung" der Höhe h des Förderspaltes 27 führt (entgegen der Richtung des Pfeiles 40). Diese Bewegung hält so lange an, bis wieder Kräftegleichgewicht am Membransystem ge­ geben ist, bis also sich der konstante Differenzdruck p₁-p₂ erneut eingestellt hat.

Dadurch, daß die Größe der Gewichtskraft F_g im Gegensatz zur Kraft einer vorgespannten Feder, unabhängig von der Auslenkung des Membransystems ist, ist ein exakt linearer Verlauf der Hö­ henänderung am Förderspalt 27 zu realisieren. D.h. eine Ände­ rung der Lastvorgabe um einen bestimmten Faktor k bewirkt eine Änderung der Höhe h des Förderspaltes und damit eine Änderung des geförderten Gasstromes ebenfalls um den Faktor k.

Anstelle eines massebehafteten Membransystems kann die den Differenzdruck p₁-p₂ vorgebende Kraft auch über eine vorge­ spannte Feder erzeugt werden. Dies ist vorteilhaft z. B. bei Motoren, welche zum Einsatz von Fahrzeugen eingesetzt werden, denn die Federkraft ist im wesentlichen unabhängig von auf das Fahrzeug wirkenden Beschleunigungen.

Claims (7)

1. Differenzdruckregelventil mit einem ersten und einem zweiten Druckraum, welcher von dem ersten Druckraum durch eine beweg­ liche Wandung getrennt ist, mit einer aus dem zweiten Druckraum herausragenden Fluidförderleitung, deren Öffnung mit der be­ weglichen Wandung einen Fluidförderspalt begrenzt, dessen Größe ein Maß für die durch die Fluidförderleitung strömende Fluid­ fördermenge ist, mit einer ersten, an den ersten Druckraum an­ geschlossenen Fluidzuführleitung, mit einer zweiten, an den zweiten Druckraum angeschlossenen Fluidzuführleitung, wobei der Querschnitt der zweiten Fluidzuführleitung in Abhängigkeit mindestens eines Parameters steuerbar ist und mit Mitteln zur Erzeugung einer auf die bewegliche Wandung in Richtung Förderspaltvergrößerung wirkenden Kraft, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Kompensation der auf die bewegliche Wandung (11) wirkenden, aus dem Druck (p₃) in der Fluidförderleitung (15) resultierenden Druckkraft (F₃) vorgesehen sind.

2. Differenzdruckregelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Druckraum (9) ein von diesem hermetisch ab­ getrennter Kompensationsraum integriert ist, welcher durch eine weitere bewegliche Wandung (29) in zwei Teilräume (30 und 31) unterteilt ist, wobei die weitere bewegliche Wandung (29), de­ ren wirksame Fläche (A₃′) wenigstens nahezu gleich der Quer­ schnittsfläche (A₃) der Fluidförderleitung (15) im Bereich des Fluidförderspaltes (27) ist, mit der beweglichen Wandung (11) starr verbunden ist und daß der dem zweiten Druckraum (10) ab­ gewandte Teilraum (31) vom Druck (p₃) in der Fluidförderleitung (15) beaufschlagt ist.

3. Differenzdruckregelventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dem zweiten Druckraum (10) zugewandte Teilraum (30) von dem Druck (p₂) in dem zweiten Druckraum (10) beaufschlagt ist.

4. Differenzdruckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung einer auf die die beiden Druck­ räume (9 und 10) trennende bewegliche Wandung (11) in Richtung Förderspaltvergrößerung wirkenden Kraft eine Gewichtskraft (F_g) ist.

5. Differenzdruckregelventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wandung gebildet ist aus einer elastischen Membran (11), an deren Ober- und Unterseite je eine Platte (23 bzw. 24) befestigt ist.

6. Differenzdruckregelventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere bewegliche Wandung (29) als elastische Membran ausgebildet ist, an welcher eine Aufnahmevorrichtung (41) für ein die beiden Membranen (11 und 29) starr miteinander kop­ pelndes Verbindungsglied (32) befestigt ist.

7. Differenzdruckregelventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsglied ein in der Aufnahmevorrichtung (41) eingeschraubter Bolzen (32) ist.