DE69301465T2

DE69301465T2 - Kraftstoffsystem und regler für konstanten gasdruck für eine einzylinder-viertaktbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69301465T2
Application number: DE69301465T
Authority: DE
Inventors: John Lambert
Original assignee: Briggs and Stratton Corp
Current assignee: Briggs and Stratton Corp
Priority date: 1992-07-10
Filing date: 1993-06-24
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2013-06-25
Also published as: CA2139490A1; US5345918A; ATE133757T1; MX9304162A; EP0649497A1; WO1994001671A1; EP0649497B1; DE69301465D1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft allgemein Verbrennungsmaschinen zur Verwendung mit einer Gebäudewännepumpe. Insbesondere betrifft sie eine Gaskraftstoff-Vergaseranordnung gemäß Anspruch 1.

Technischer Hintergrund

Die Verbesserungen dieser Erfindung betreffen Erdgasmaschinen, insbesondere Viertakteinzylindererdgasmaschinen. Sie betrifft allgemein das Kraftstoffzuführsystem, das beschrieben ist im US Patent 4,886,034, das eine Vier-Takt-Einzylindermaschine für eine Wohnwärmepumpe offenbart, bei der der Brennstoffzuführverteiler mit einem Venturivergaser in Verbindung steht, der ein Venturielement und eine Luft-Bypass-Leitung hat, wobei die letztere von einem Drosselventil gesteuert wird, das von dem in einem Brennstoffzuführverteiler auf der stromabwärtigen Seite sowohl des Venturielementes und der Bypassleitung angeordnete Drehzahlsteuerdrosselventil getrennt ist. Das Drosselventil und die Bypassleitung der Vorrichtung des '034 Patentes gleicht normale Neigungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses zur Veränderung seiner Größe bei Maschinendrehzahländerungen aus. Sie können ebenfalls verwendet werden als Anreicherungsmechanismus, um das Starten der Maschine zu unterstützen.
Kraftstoff wird der Düse des Vergasers des '034 Patentes mittels eines Zuführdurchganges zugeführt, der teilweise durch einen Gasdruckregler definiert ist, der ein Membranventil mit einer Membran enthält, die in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen der Venturiverengung des Vergasers und dem Lufteinlaß am Vergaser betätigt wird. Bei der Steuerung des '034 Patentes wurde ein Versuch gemacht, eine hohe Betriebswirtschaftlichkeit durch Verwendung eines vorprogrammierten Mikroprozessors zu erhalten, der auf die gemessene Maschinendrehzahl und Verteilerdruckveränderungen reagiert, um das Drosselventil und die um das Vergaserventurielement herumführende Bypassleitung zu steuern. Druckpulsationen, die vom Öffnen und Schließen des Einlaßventils für den einzelnen Zylinder herrühren, können durch geeignetes Kalibrieren des Mikroprozessors verschoben werden, um den pulsierenden Druck der Luft auszugleichen, die durch die Vergaserengstelle strömt. Ausgleichjustierungen in dem Bypassdrosselventil werden in Abhängigkeit von durch den Mikroprozessor gewonnenen Ausgangssignalen gemacht, wenn der Mikroprozessor auf die unmittelbaren Daten reagiert, die von dem Verteilerdrucksensor und dem Maschinendrehzahlsensor gemessen werden.
Gasregelventile für Gasmaschinen werden in anderen Umgebungen verwendet, wie das im US Patent 3,540,419 beschriebene Hilfsgasventilsystem für einen Dieselmotor. Der in dem '419 Patent beschriebene Motor ist ein Dieselmotor, der gasförmigen Brennstoff unter Schwerlastbedingungen verwendet, wobei der gasformige Kraftstoff über ein Kraftstofflußsteuersystem von einem Flüssigerdölversorgungstank zugeführt wird. Der Druck des dem Motoreinlaßverteiler zugeführten Gasbrennstoffs wird durch ein Membranventil geregelt, das auf die Differenz von dem Luftdruck an der stromabwärtigen Seite des Luftfilters und den Druck auf der Gaszuführseite eines Membranbetätigers für das Gasventil reagiert. Die gegenüberliegende Seite der Membran ist dem Druck der stromabwärtigen Seite des Luftfilters ausgesetzt. Eine Verbindung zwischen der stromabwärtigen Seite des Luftfilters und der Luftseite der Membran wird durch ein Öffnungsventil und durch eine kalibrierte Flußsteuerungsöffnung erreicht, wobei das Öffnungsventil in Folge auf einen thermischen Schalter empfindlich ist, der die Motorbelastung mißt. Ein Absperrventil ist zwischen der Gaszuführung und dem Gasventil derart angeordnet, daß die Gaszufuhr unterbrochen werden kann, wenn der Motor in normaler Weise mit seinen Flüssigdieselbrennstoffinjektoren arbeitet.
Versuche wurden in den bekannten Ausgestaltungen unternommen, um Einzylindermaschinen mit einem Venturivergaser zu betreiben, so daß ein nahezu konstantes Luft/Brennstoff-Verhältnis über einen weiten Betriebsbereich von Drehzahlen und Lasten erreicht wird. Es wurde jedoch herausgefunden, daß ein konstantes Luft/Brennstoff-Verhältnis wegen des unsteten, mit dem Einzylinderbetrieb verbundenen Einlaßluftstromes nicht leicht erreicht werden kann. Dieses Problem wird verschärft, wenn ein Luftansaugschalldämpfer verwendet wird, da der Schalldämpfer weitere Druckpulsationen mit seinen Eigenfrequenzen erzeugt. Es wurde herausgefunden, daß die von dem Schalldämpfer herrührenden Eigenfrequenzen bei bestimmten Motordrehzahlen in Resonanz in bezug auf die Motorkreisfrequenz kommen können.
Ein typisches Kraftstoffsystem mit einem traditionellen Venturivergaser kann eine Tauchmagnet betriebene Anreicherungsvorrichtung zur Unterstützung von Kaltstarts haben.
Im US Patent 2,779,564 ist eine Vergaseranordnung mit einem Gasdruckregler beschrieben, die ein Ausgleichsrohr enthält und bestimmt ist, die Neigung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses zu Veränderungen während des Startvorganges oder schneller Motorverlangsamung oder -beschleunigung auszugleichen. Dies wird durch eine Doppelmembrananordnung komplexer Konstruktion erreicht, die darauf abzielt, das Problem von Luft, die nicht in der Lage ist, schnell entlang des Ausgleichsrohres zu fließen, zu lösen. Die Anordnung dieses älteren Patents löst nicht die Schwierigkeit, die mit Vier-Takt-Einzylindermaschinen (und manchmal mit Vier-Takt-Zweizylindermaschinen) auftritt, wo eine unbeständige Gasflußzuführung besteht. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab einen konstanten Kraftstoffdruck ungeachtet relativ starker Druckpulsationen in dem Einlaßluftstrom beim Betrieb der Maschine bereitzustellen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Verbesserungen dieser Erfindung sollen einen vereinfachten Gaszuführmechanismus für eine Erdgasmaschine, die speziell für Wohnwärmepumpen angepaßt ist und einen oder zwei Zylinder hat, bereitstellen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine präzise Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses unabhängig von großen Änderungen in der Belastung und der Drehzahl der Maschine vorzusehen. Diese Aufgabe stimmt überein mit der Ausgestaltungsstrategie für die in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit der Seriennummer 917,764 beschriebene Verbrennungskammer für Einzylindergasmaschinen. Diese gleichzeitig anhängige Anmeldung, die am 21. Juli 1992 eingereicht wurde gehört dem Anmelder dieser Erfindung. Diese Ausgestaltungsstrategie benötigt eine schnell brennende Verbrennung bei Verwendung eines mageren Luft/Brennstoff-Gemisches in der Einzylindermaschinenbrennkammer, die einen hohen Wirkungsgrad mit geringen NOX-Emissionen, ohne die Notwendigkeit zur Verwendung eines katalytischen Konverters erreicht.
Es ist eine Gestaltungsaufgabe der vorliegenden Erfindung, es möglich zu machen, einen hohen thermischen Wirkungsgrad mit minimalen Änderungen im Luft/Brennstoff-Verhältnis über einen breiten Bereich von Maschinendrehzahlen und -lasten zu erhalten. Die Verbesserungen der Erfindung machen es ebenfalls möglich, eine Maschine mit einem hohen thermischen Wirkungsgrad ohne ernsthafte Verschlechterung der NOX-Emissionsniveau zu liefern, auch wenn die Luft/Brennstoff-Verhältnisse fetter sind als die Magergrenze. Dies wird durch Herstellen eines kontrollierten Ausgleichs zwischen dem Maschinenwirkungsgrad und einem gewünschten Emissionsniveau erreicht, während die Maschine mit einem gewünschten Luft/Brennstoff-Verhältnis konsistent betrieben wird. Das verbesserte Kraftstoffsystem enthält einen Venturi-Typ Vergasermechanismus mit einer Verengungsstelle. Es enthält kein aufwendiges Bypass- Drosselventil und benötigt keinen Mikroprozessor basierten Kontroller für das Drosselventil, wie in dem '034 Patent beschrieben. Es weist ein Membran-Typ Gasregler zur Steuerung der Gaszufuhr zur Verengungsstelle des Venturielementes des Vergasers auf.
Die Venturiwirkung des Vergasers des verbesserten Brennstoff systems stellt ein relativ konstantes Luft/Brennstoff-Verhältnis bereit, das relativ unabhängig von Veränderungen im Fluß durch das Venturielement ist und daher relativ unempfindlich auf Drehzahländerungen über einen bedeutenden Bereich von Maschinendrehzahlen ist.
Der venturivergaser hält den Brennstoff zuführdruck am Vergasereinlaß und den Luftdruck am Venturiansaugstutzen im Gleichgewicht. Wenn der Luftfilter auf der Ansaugseite des Venturielements schmutzig wird, fällt der Luftdruck am Venturiansaugstutzen, so daß das Gleichgewicht gestört wird.
Der erfindungsgemäße Regler enthält ein Membranventil mit einem Membranventilbetätiger, von dem eine Seite mit der stromabwärtigen Seite des Luftfilters verbunden ist, um somit einen Bezugsdruck bereitzustellen. Das Membranventil erhält den effektiven Druck vom Einlaß des Venturielementes.
Weil die Maschine in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen einzelnen Zylinder hat, werden kräftige Druckpulsationen im Luftflußstrom erzeugt. Wenn der Brennstoffdruck konstant gehalten wird, ergeben sich aus diesen Pulsationen breite Variationen im Luft/Brennstoff-Verhältnis, wenn die Maschinendrehzahl oder -belastung wechselt. In der Folge beeinflußt dies nachteilig den Wirkungsgrad, die Emissionen und die Laufbeständigkeit. Der verbesserte Regler der Erfindung ist besonders ausgebildet, um diese Druckvariationen zu minimieren und das Luft/Brennstoff- Verhältnis durch im wesentlichen Ausgleichen der Druckpulsationen im Luftstrom nahezu konstant zu halten.
Eine Seite des Membranbetätigers für das Gasventil des erfindungsgemäßen Reglers ist mit einer geregelten Gaszufuhr verbunden. Die gegenüberliegende Seite des Membranbetätigers ist mit dem Maschinenlufteinlaß stromabwärtig des Filters verbunden. Die Membran ist leicht vorgespannt mit einer Ventilfeder, die eine Kraft erzeugt, die den zum Hereinlassen von Gas neigenden Differenzkräften entgegentritt.
Eine Druckausgleichsleitung verbindet die Luftseite des Membranaktuators mit dem Maschinenluftansaugstutzen auf der stromabwärtigen Seite des Filters. In einem Gasregler der in bekannten technischen Lehren offenbarten Art kann der Ausgleich für Luftdruckänderungen nur erreicht werden, wenn sie langsam geschehen. Ein solcher Ausgleich mag mit bekannten Systemen gemacht werden, beispielsweise um ein konstantes Luft/Brennstoff-Verhältnis aufrecht zu erhalten, selbst wenn der Lufteinlaß aufgrund von Verschmutzungen verstopft ist.
Derartige bekannte Systeme können ebenfalls erfolgreich verwendet werden in Mehrzylindermaschinen, wo die Ansaugpulse im Verteiler abgeschwächt werden, um so die großen Druckpulsationen zu eliminieren, die in Einzylindermaschinen der Art auftreten, die beispielsweise mit Hauswärmepumpen verwendet werden. Die dynamischen Kräfte in solchen mit Mehrzylindermaschinen verwendeten, bekannten Systemen benötigen kein dynamisches Ansprechen, um Änderungen in den auf dem Membranventil wirkenden Differentialdruckkräften zu bewältigen.
Die Verbesserungen der Erfindung ermöglichen den Ausgleich von Druckpulsationen in der Luft/Brennstoff-Zufuhr, die besonders charakteristisch für Gasmaschinen mit einem oder zwei Zylindern sind. Sie gleichen ebenfalls die bedeutsamen dynamischen Kräfte aus, die normalerweise auftreten.
Mit dem verbesserten Regler der vorliegenden Erfindung wird das dynamische Reglerproblem durch Verringern der Ansprechzeit des Brennstoffdrucksteuersystems minimiert, so daß der Brennstoffdruck an der Brennstoffdüse nahezu gleich dem Luftdruck am Venturielement während des Motorzyklus ist. Kurze Ausgleichsund Brennstoffzufuhrleitungen mit großem Durchmesser werden verwendet, um ein sofortiges Ansprechen des Reglers auf Änderungen im Luftdruck auf der Einlaßseite des Ventunelementes aufgrund von Pulsationen sicherzustellen, die in einer Einzylindermaschine aufgrund des Öffnens und Schließens des Einlaßventils des Motors entstehen.
Eine Druckreglervorbelastungsfeder wird verwendet, um eine Kraft auf den Membranbetätiger für den Regler einzuführen, die lediglich ausreichend ist, um die Kraft auf dem Ventil aufgrund des Brennkraftzuführdruckes auszugleichen. Die eliminiert die Neigung, die sonst existieren würde, für einen bedeutenden Luftfluß von dem Vergaser zurück in den Druckregler zwischen Ansaugpulsen.
Die Erfindung verwendet einen starr gekoppelten Regler in einem Brennstoffsystem zur Aufrechterhaltung eines konstanten Luft/Brennstoff-Verhältnis über einen Bereich von Maschinendrehzahlen und -lasten.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht von einer Einzylindermaschine, insbesondere den oberen Abschnitt des Zylindergehäuses und den unteren Abschnitt des Zylinderkopfes.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht, die einen Luft/Brennstoff-Vergaserdrosselkörper darstellt.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang der Ebene der Schnittlinie 3-3 der Fig. 2 aufgenommen ist.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung des Lufttrichtervergasers und eines Gasdruckreglers für das Brennstoff- System der Erfindung.
Fig. 4A zeigt eine Vergrößerung des Gasdruckreglers der Fig. 4.
Fig. 5 zeigt eine Aufzeichnung des Druckes in der Venturiverengung und des Brennstoffdruckes für das Brennstoffsystem der Erfindung für eine Maschine ohne dynamische Gasdruckkompensation.
Fig. 5A zeigt eine Aufzeichnung ähnlich zu der Aufzeichnung der Fig. 5, wobei die Gasdruckvariation gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung verringert ist.
Fig. 6 zeigt einen Graphen, der die Beziehung zwischen Maschinendrehzahl und Luft/Brennstoff-Äquivalenzverhältnis zeigt, das das Verhältnis des aktuellen Luft/Brennstoff-Verhältnisses geteilt durch das für stöchiometrischen Betrieb benötigte Luft/Kraftstoff- Verhältnis.
Fig. 7 zeigt einen Graphen, der die Beziehung zwischen dem Luft/Brennstoff-Massenverhältnis und der Maschinendrehzahl darstellt.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung des Luft/Brennstoff-Ansaugsystems für die Maschine der Fig. 1.
Fig. 9 und 10 zeigen ein vereinfachtes Modell der Dynamik des Gasreglers.
Fig. 11 zeigt eine Aufzeichnung der optimalen Länge und des optimalen Durchmessers der Ausgleichsleitung und der Brennstoffleitung, die in den Figuren 4 und 4A gezeigt sind.
Fig. 12 zeigt eine Aufzeichnung der Drücke an dem Venturieingang und an der Venturiverengung über eine Zeitdauer von 2 Hüben.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Unter stetigen Strömungsbedingungen kann das Venturielement ein konstantes Luft/Brennstoff-Verhältnis über einen breiten Bereich des Luftstromes liefern. Die Massenströmungsrate der Luft kann bestimmt werden mit der nachfolgenden Öffnungsgleichung für kompressiblen Fluß (unter der Annahme vernachlässigbarer Eintrittsgeschwindigkeit).
Mit
MA = Massenströmungsrate der Luft
CD = Öffnungskoeffizient
At = Fläche der Verengung
g = Erdbeschleunigung
K = spezifischer Wärmekoeffizient
Pt = Druck an der Venturiverengung
Pa = Luftdruck am Venturiemgang
γa = Luftdichte am Venturiemgang.
Die Gleichung kann durch eine einfachere Beziehung angenähert werden:
A = C&sub1; [PA - Pt]1/2,
wobei C&sub1; ein Proportionalitätsfaktor ist, der von dem Druckverhältnis Pt zu PA abhängt. Die Brennstoffmassenströmungsrate kann bestimmt werden mit einer ähnlichen Gleichung:
F = C&sub2; [PF - Pt]1/2,
mit
MF = Massenströmungsrate des Brennstoffes
C&sub2; = Proportionalitätsfaktor (Funktion von Pt/PF).
Es kann aus den vorgenannten Gleichungen erkannt werden, daß, wenn der Brennstoffdruck PF gleich zum Lufteinlaßdruck PA gehalten wird, dann das Verhältnis der Luftströmung zur Brennstoffströmung beinahe konstant und unabhängig von der Luftströmungsmenge bleibt.
Es ist wichtig für eine genaue Steuerung des Luft/Brennstoff- Verhältnisses, die Differenz zwischen Brennstoff- und Luftdruck beim Eintritt in den Vergaser zu minimieren. Um dies zu tun, wird ein Druckregulator, auch Gasdruckregler oder Nulldruckregler genannt, verwendet, wie in den Figuren 4 und 4A schematisch gezeigt. Brennstoff wird bei einem geringen Überdruck (typischerweise 3'' H&sub2;O) dem Druckreglereinlaß zugeführt. Ein Diaphragma- und Ventilmechanismus stellt sicher, daß der Brennstoffdruck in der unteren Registerkammer 94 annähernd dem Druck in der oberen Referenzkammer 96 gleicht. Unter Verwendung einer schwachen Feder (idealerweise eine Feder mit einer Kraft, die gerade ausreicht, um die Kraft auf dem Einlaßventil aufgrund des Brennstoffzuführungsdruckes auszugleichen) und einer leichtgewichtigen Membran großen Durchmessers, wie mit Bezugszeichen 98 dargestellt, kann die Druckdifferenz über die Membran sehr klein gehalten werden.
Wenn ein Filter 84 für die Einlaßluft verwendet wird, wird ein gewisser Druckverlust über den Filter abhängig von seinem Sauberkeitszustand auftreten. Es ist übliche Praxis, den Kraftstoffdruck dem stromabwärtigen Luftdruck des Filters durch Verwendung einer Ausgleichsleitung 110 fast gleich zu halten. Mit dieser Anordnung ist die Referenzkammer des Druckreglers mit dem Ansaugluftstrom durch die Ausgleichsleitung verbunden. Wenn die Luftgeschwindigkeit in dem Einlaßrohr bedeutend ist, sollte die Ausgleichsleitung in Richtung des Luftstromes zeigen, um den gesamten (statischen und dynamischen) Luftdruck zu messen. Für stationären oder nahezu stationären Luftstrom ist, typisch für den Betrieb von Mehrzylindermaschinen, diese Anordnung für eine gute Kontrolle des Luft/Brennstoff- Verhältnisses ausreichend.
Das Lufteinlaßsystem besteht aus einem kombinierten Luftfilter und Schalldämpfer mit einer Schlauchverbindung zum Vergaser, der direkt auf dem Ansauganschluß der Maschine befestigt ist. Der Schalldämpfer ist aus zwei in Serie verbundenen Expansionskammern, wie konzeptionell in Fig. 8 gezeigt, aufgebaut.
An einem gegebenen Punkt in dem Luftansaugsystem variiert der Druck in periodischer Weise mit der Maschinenkreisfrequenz. Die Fig. 12 zeigt eine typische Aufzeichnung der Drücke am Eingang zum Venturielement (PA) und an der Verengung (Pt) über zwei Maschinenzyklen. Wie erwartet, tritt eine große Absenkung im Druck an der Verengungsstelle auf und eine geringere Absenkung im Eingangsdruck während des Ansaughubes. Zwischen Ansaughüben schwingen die beiden Drücke übereinstimmend mit der Eigenfrequenz des Ansaughubes. Darüber hinaus kann die Druckwelle nicht zwischen Ansaugtakten gedämpft werden. Ebenso wird die auf den Anfang des Ansaughubes bezogene Phase der Druckwellen mit der Maschinendrehzahl variieren.
Wenn der Brennstoffdruck über den Maschinenzyklus konstant gehalten wird, wird ein bedeutender Fluß durch die Brennstofföffnung 46 in beiden Richtungen zwischen den Ansaughüben entstehen. Da der Fluß durch die Öffnung proportional zur Quadratwurzel der Druckdifferenz über die Öffnung ist, können diese Strömungen einen großen Anteil des Flusses annehmen, der während des Ansaughubes auftritt. Wenn sich die Maschinenlast und -drehzahl ändert, variiert die Amplitude der Druckwelle und die auf den Anfang des Ansaughubes bezogene Phase der Druckwelle. Das Ergebnis sind große Schwankungen im Luft/Brennstoff-Verhältnis mit der Maschinendrehzahl und -last.
Die Verbesserungen der vorliegenden Erfindung machen es möglich, einen Betrieb mit relativ konstantem Luft/Brennstoff- Verhältnis zu erreichen, ungeachtet der Neigung der Maschine, Druckpulsationen während des Öffnens und Schließens der Ansaugventile zu entwickeln. Während des Einlaßhubes wird der Brennstoffdruck in dem Regler normalerweise unter den athmosphärischen Einlaßdruck abgesenkt. Nach dem Einlaßhub neigt der Reglerdruck zum Überschießen, wie nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 5 und 5A erklärt wird. Dies führt zu einem Kraftstoffdruck, der für einen kleinen Teil des Maschinenzyklus den Lufteinlaßdruck überschreitet. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Abweichungen zu minimieren und damit die nachteilige Wirkung auf das Mischverhältnis über einen weiten Bereich des Luftflusses zu minimieren. Bezüglich Fig. 1 ist der mit 10 bezeichnete Maschinenzylinder Bestandteil eines Maschinenzylinderblockgußteils. Es hat eine Zylinderbohrung 12, die einen Kolben 14 aufnimmt. Eine Kolbenstange 16 ist an dem Kolben mit einem Schwenkzapfen 18 verbunden.
Der in Fig. 1 gezeigte Kolben 14 ist in seiner oberen Totpunktposition dargestellt. Wenn er so angeordnet ist, befindet sich die Oberseite des Zylinders 20 in derselben Ebene in bezug auf die obere Oberfläche 22 des Zylindergehäuses.
Ein Zylinderkopf 24 ist auf der Oberfläche 22 aufgeschraubt und ein kalibrierter Zwischenraum ist am Übergang vom Zylinderkopf zur Oberfläche 22 vorgesehen.
Ein Einlaßventil 26 ist in einer im als Gußteil ausgebildeten Zylinderkopf angeordneten Ventilbuchse 28 angeordnet.
Ein Auslaßventil 30 ist in einer Ventilbuchse 32 verschiebbar angeordnet. Es steuert die Abgabe von Verbrennungsprodukten aus einer Verbrennungskammer 34 zu einem Abgasdurchgang 36.
Der Zylinderkopf 24 ist mit einem Ansauganschluß 38 ausgestattet, der mit einem Einlaßdurchgang (nicht gezeigt) in Verbindung steht, der Teil eines Lufteinlaßdurchganges 40 des in Fig. 2 gezeigten Vergaserdrosselkörpers ist.
Das Zylindergußteil 10 ist mit Kühlmitteldurchgängen 42 ausgestattet. Der Zylinderkopf 24 ist mit Kühlmitteldurchgängen 44 ausgestattet. Kühlmittelflüssigkeit wird durch die Kühlmitteldurchgänge 42 und 44 zirkuliert.
Das Einlaßventil 26 wird durch eine Nockenwelle in üblicher Weise betätigt. Es öffnet eine Verbindung zwischen der Verbrennungskammer und dem Luft- und Brennstoffzuführdurchgang auf der stromabwärtigen Seite der Drossel für den in Fig. 3 gezeigten Vergaser. Das Ventil 26 schließt während des Kompressionshubes des Kolbens in bekannter Weise.
Der Gaseinlaßdurchgang für das Brennstoffsystem steht mit dem Durchgang 40, wie in Fig. 2 ersichtlich, in Verbindung. Eine kalibrierte Gasflußöffnung 46 ist in dem Gaseinlaßflußpfad angeordnet. Die effektive Größe der Öffnung 46 wird von einem einstellbaren Nadelventil 48 gesteuert, das aus einem mit Gewinde versehenen Stab 50 mit einem äußeren Einstellkopf 52 besteht.
Eine Brennstoffanreicherungsöffnung 54 wird mit einem magnetisch betriebenen Anreicherungsventilelement 56 geöffnet und geschlossen. Ein Topfmagnetbetätiger 58 für das Magnetventil hält das Ventil 56 in einer offenen Stellung, wenn Brennstoffanreicherung gewünscht wird. Beispielsweise öffnet während des Startvorganges das Ventil 56 den Anreicherungsdurchgang 54, um damit eine Verbindung mit einem Bypass-Gasdurchgang 60 einzurichten. Dies führt zur Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses von mager zu stöchiometrisch.
In den Durchgang 40 eintretendes Gas wird über die Engstelle des mit 62 in Fig. 3 bezeichneten Venturielementes verteilt. Die Verbindung zwischen Durchgang 40 und der Engstelle des Venturielementes 60 enthält Gaszuführanschlüsse 64, die mit einem kreisringförmigen Durchgang 66 in Verbindung stehen, der in der Folge mit der stromabwärtigen Seite der Öffnung 46 in Verbindung steht.
Eine einstellbare Drosselklappe 68 ist auf der stromabwärtigen Seite des Öffnungselementes 62 angeordnet. Wenn sie wie dargestellt positioniert ist, schließt sie effektiv den Fließweg durch die Venturidüse. Die in Fig. 3 in ihrer Seitenansicht gezeigte Drosselklappe 68 ist an einer Drosselwelle 70 befestigt, die verbunden mit oder als integraler Bestandteil einer Buchsenwelle 72 eines Schritt motorankers ausgebildet ist. Ein Anker 74 für einen Schrittmotormechanismus 76 ist in der Buchse 72 aufgenommen. Der Schrittmotor 76 ist innerhalb einer Befestigungsöffnung 78 befestigt und eine O-Ringdichtung 80 isoliert die Ankerwelle 70 vom Schrittmotor. Die Drossel- und Schrittmotoranordnung ist zusammen mit der Vergaseranordnung selbst in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit der Seriennummer 914,360, eingereicht am 14. Juli 1992, beschrieben. Diese gleichzeitig anhängige Anmeldung ist auf den Anmelder dieser Erfindung angemeldet.
In Fig. 4 ist das Brennstoff system der vorliegenden Erfindung mit dem Vergaser und dem Gasdruckregler dargestellt. In Fig. 4 bezeichnet Bezugszeichen 82 eine Luftfilteranordnung und Bezugszeichen 84 einen Geräuschschalldämpfer. Der Schalldämpfer und die Filteranordnung sind als eine an dem Lufteinlaßende 86' einer Luftansaugleitung 86 angeordnete Einheit ausgebildet. Der Brennstoffgemischeinlaßanschluß des in Fig. 1 gezeigten Zylinderkopfes steht mit dem Auslaßende 88 der Ansaugleitung in Verbindung. Die Drossel 68 steuert den Fluß des Luft/Brennstoff-Gemisches durch den Durchgang 88.
Die gesamte durch die Leitung 86 angesogene Luft erreicht die Einlaßseite des Venturielementes 62.
Eine Gasdruckregleranordnung 90 weist ein Gehäuse 92 mit einer Gaskammer 94 und einer Lufteinlaßkammer 96 auf. Die Kammern 94 und 96 sind durch eine flexible Membran 98, wie in Figuren 4 und 4A ersichtlich, getrennt. Die Membran 98 ist auf einer Seite mit einem Ventilbetatigungshebel 100 verbunden, der um einen Hebeldrehpunkt 102 verschwenkt wird. Eine Ventilvorbelastungsfeder 104 drängt den Hebel 100 in Uhrzeigerrichtung, wie in Fig. 4 dargestellt. Ein Ventilbauteil 106 stimmt mit der Brennstoffzufuhreinlaßöffnung einer Gasbrennstoffleitung 108 überein. Die Feder 104 erzeugt ein Vorbelastungsdrehmoment auf den Hebel 100, der normalerweise zum Schließen des Ventils 106 führt. Die Federkraft aufgrund der Druckdifferenz in den Kammern 94 und 96 und die Druckdifferenz über das Ventil 106 betätigen das Ventil 106.
Die Luftkammer 96 steht mit der Leitung 86 an der stromaufwärtigen Seite des Venturielementes 62 und auf der stromabwärtigen Seite der Filteranordnung 82 in offener Verbindung. Diese Verbindung ist durch eine Ausgleichsleitung 110 erreicht, die einen offenen Durchgang reduzierter Länge und mit minimalem Fließwiderstand darstellt.
Die Gaskammer 94 steht mit der Einlaßseite der Öffnung 46 über Leitung 112 in Verbindung, die mit dem in Fig. 2 gezeigten Durchgang 40 in Verbindung steht. Die Gasflußleitung 112 ist ebenfalls für minimale Fließbegrenzung ausgestaltet.
In Fig. 5 ist eine Aufzeichnung des Venturitrichterdruckes über der Zeit für eine vorgegebene Maschinendrehzahl dargestellt. Der Venturiengstellendruck, wie in Fig. 5 gezeigt, zeigt Unterdruckpulsationen, wie mit 114 und 116 bezeichnet. Diese sind von einem Abschnitt getrennt, der zur Periode gehört, in der das Einlaßventil während des Motorzyklus geschlossen ist. Der Druck an der Venturidüse ist annähernd gleich dem statischen Druck am Ventuneingang zwischen Einlaßventilöffnungen.
Dem Graph der Fig. 5 überlagert sind eine Aufzeichnung 118 und eine Aufzeichnung 120 in Synchronisation mit den Venturiengstellenunterdruckaufzeichnungen 114 bzw. 116. Wenn der Druck an der Einlaßseite der Venturiengstelle verringert wird, verbindet die Ausgleichsleitung diese Druckänderung mit dem Regler, um damit den statischen Druck in der Luftkammer 96 zu verringern. Dies stört das Kräftegleichgewicht auf der Membran 98 und erhöht die Schließkraft auf das Ventil 106, um damit die Brennstoffzufuhrrate zur Gaskammer 94 zu verringern und das Volumen der Gaskammer 94 zu vergrößern. Dies hat die Wirkung, daß der Brennstoffdruck in dem Moment einer Verringerung im Venturiengstellendruck aufgrund der durch das Öffnen und Schließen des Einlaßventils hervorgerufenen Pulsationen verringert wird. Dies bewirkt eine gleichzeitige Änderung in den Drücken des Gases und der Luft, um zu einer Verringerung der Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses zu führen, die von vorübergehenden Druckänderungen in der Leitung 86 herrühren.
Die Ausgleichsleitung 110 und die Gasleitung 112 sind ausgebildet, um eine unmittelbare Nähe der Luftkammer 96 an der Einlaßseite des Venturielementes und eine unmittelbare Nähe der Gaskammer 94 an der Düse des Venturielementes bereitzustellen. Die Vorrichtung ist ebenso gestaltet, um ein nahezu unmittelbares Ansprechen des Luftdruckes in der Luftkammer 96 auf eine Druckänderung in der Leitung 86 bereitzustellen. Ähnlich weist der Gasdruck an der Öffnung 46 durch Minimieren der Flußbegrenzung in der Gasleitung 112 ein nahezu unmittelbares Ansprechen auf Druckänderungen in der Gaskammer 94 auf. Das geringe Gewicht der Membran 98 und des Ventilmechanismus 100 stellt sicher, daß die Drücke in der Luftkammer 96 und der Gaskammer 94 im wesentlichen gleich bleiben.
Durch die Notwendigkeit die gesamte Einlaßluft durch das Venturielement hindurchzulassen, kann das Luft/Brennstoff- Verhältnis ohne die Notwendigkeit aufwendiger Mikroprozessor- Brennstoffsteuereinheiten und eines zweiten Drosselventils zusammen mit den zur Gewinnung von Daten von einer Mikroprozessorsteuereinheit benötigten Drehzahl- und Lastsensoren eher als mit dem Versuch, das Luft/Brennstoff- Verhältnis unter Verwendung eines Hilfskanals, wie in dem eigenen, bekannten Patent '034, zu steuern, geregelt werden.
Das Brennstoffsystem wurde ausgestaltet, um Druckpulsationen beim Lufteinlaß durch Forcieren des Brennstoffdruckes auszugleichen, um die Druckpulsationen dynamisch nachzusteuern. In anderen Worten wird der Brennstoffdruck am Eingang der Vergasergasöffnung 46 nahezu gleich zu dem Luftdruck am Eingang des Venturielementes ungeachtet der Fluktuationen im Luftdruck gehalten. Dies wird durch Bereitstellen einer schnellen dynamischen Antwort erreicht.
Die Schlüsselelemente, die das dynamische Ansprechen des Brennstoffdruckes entwickeln, sind die Ausgleichsleitung, das Druckreglervolumen und die Brennstoffleitung. Die Reglermembran 98 hat eine ausreichend geringe Masse, um eine unbedeutende Wirkung auf das gesamte dynamische Ansprechen zu haben.
Bei den unteren Druckamplituden, die typischerweise zwischen Einlaßhüben auftreten, ist die Dämpfung aufgrund der Brennstofföffnung gering. Das vereinfachte dynamische Modell der Fig. 9 stellt eine vernünftige Annäherung des dynamischen Ansprechens dar.
In Fig. 9 ist die Querschnittsfläche der Gaszufuhrleitung mit S&sub2; bezeichnet und seine Länge ist mit L&sub2; bezeichnet. Die Querschnittsfläche der Ausgleichsleitung beträgt S&sub1; und seine Länge beträgt L&sub1;. Die Masse eines Luf tkörpers in der Ausgleichsleitung ist M&sub1; und die Masse eines Gaskörpers in der Gaszufuhrleitung ist M&sub2;. V ist das Volumen im Druckregler.
Unter der Annahme, daß die Ausgleichsleitung und die Gasleitung gleiche Durchmesser und Längen haben, kann die Eigenfrequenz bezeichnet werden mit:
wobei C die Schallgeschwindigkeit ist. Um eine schnelle dynamische Antwort zu erhalten ist eine hohe Eigenfrequenz erwünscht, was großen Durchmesser und kurze Länge der Ausgleichs- und Gasleitungen und ein kleines Druckreglervolumen unterstellt. In der Praxis wird das Reglervolumen zum Teil durch das Bedürfnis einer ziemlich großen Membran bestimmt. Der mit einer bevorzugten Ausführungsform der Maschine verwendete Druckregler hat ein Volumen von 327,7 cm³ (20 in³).
Die Figuren 9 und 10 zeigen zusammen ein analytisches Äquivalenzmodell der Beziehung der dynamischen Faktoren. K in Fig. 10 ist die systemäquivalente Federkonstante. Daher ist
M = L/S und
K = c²/V,
wobei die Dichte von Luft ist.
Es wurde experimentell herausgefunden, daß ein guter dynamischer Wirkungsgrad erreicht wird, wenn die momentane Ansprechzeit auf etwa 1,7 ms begrenzt wird, was einer Verzögerung von 30º Kurbelwellenwinkel bei einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute entspricht. Unter Verwendung der Näherung, daß die momentane Ansprechzeit gegeben ist durch die Gleichung:

tR = 4/fo,

wobei die Beziehung zwischen Durchmesser und Länge für die Ausgleichsleitung gewählt werden sollte mit inches
wobei d der Durchmesser der Ausgleichs- und Gasleitungen ist. Fig. 11 zeigt eine Aufzeichnung maximaler Leitungslängen über den Durchmesser. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Leitungen mit einem Durchmesser von 15,875 cm (5/8 inch) verwendet, wobei die Leitungslängen auf etwa 203,2 cm (8 inches) gehalten sind. Das Verhältnis d²/L beträgt wenigstens 1,016 mm (0,04 inches)
Ein ergänzender dynamischer Effekt mit bedeutender Einwirkung auf die Luft/Brennstoff-Verhältnissteuerung ist das Überschießen des Brennstoffdruckes unmittelbar nach dem Einlaßhub. Dieser Effekt kann mit Bezug auf die Figuren 5 und 5A erklärt werden. Während des Einlaßhubes wird Brennstoff von dem Druckregler zurückgezogen, um den Brennstoffdruck in dem Regler zu reduzieren. Die Reglermembran wird ausgelenkt, um die Brennstoffventilöffnung und den Brennstoffeinlaßfluß zu vergrößern. Ferner bewirkt der verringerte Druck, daß Luft in die Bezugskammer 96 fließt, was hilft, den Abbruch im Brennstoffdruck zu begrenzen. Nach Vollendung des Einlaßhubes wird eine äquivalente Menge Luft aus der Bezugskammer zurückgedrückt. Dabei müssen die Brennstoff- und Referenzdrücke im Regler höher schwingen, als der Druck am Venturieinlaß. Daher fällt der Brennstoffdruck unter den Venturieinlaßdruck während des Einlaßhubes und steigt über den Venturieinlaßdruck nach dem Einlaßhub. Die Nutzwirkung dieser Brennstoffdruckfluktuationen besteht in einer Anreicherung des Gemisches. Dies passiert aufgrund der nicht linearen Beziehung zwischen dem Brennstofföffnungsfluß und der Druckdifferenz. In anderen Worten hat die geringe Brennstoffdruckfluktuation eine sehr kleine Wirkung, wenn die große Venturidruckabsenkung vorliegt. Die Nettobrennstoffanreicherung ist größer für größere Brennstoffströme, die mit höheren Maschinenlasten zusammenhängen.
Das in Fig. 5 gezeigte Überschwingen des Brennstoffdruckes kann durch Minimieren der Fließbegrenzung zwischen der Bezugskammer 96 und dem Venturieinlaß durch Verwendung einer Ausgleichsleitung mit großem Durchmesser und kurzer Länge minimiert werden. Es wurde experimentell festgestellt, daß die Ausgleichs- und Brennstoffleitungsparameter von 15,875 cm (5/8 inch) Durchmesser und 203,2 cm (8 inch) Länge, die mit der oben beschriebenen Analyse bestimmt werden, den Brennstoffüberschwingeffekt in akzeptablen Grenzen hält.
In Fig. 6 ist die Beziehung zwischen dem Luft/Brennstoff- Äquivalenzverhältnis und der Maschinendrehzahl mit verschiedenen Federkräften dargestellt. Das Äquivalenzverhältnis für die Aufzeichnung der Fig. 6 ist das aktuelle Luft/Brennstoff-Verhältnis geteilt durch das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis.
Die Belastungsfeder schließt das Gasventil, wenn die Maschine nicht betrieben wird und erzeugt ein Vakuum. Die Kraft der Feder führt daher zu einer Druckdifferenz über der Membran. Die Feder ist deshalb wünschenswert sehr leicht auszuführen. In einer arbeitenden Ausgestaltung der Erfindung kann die Federkraft in ihrer geschlossenen Ventilposition bei 0,334 N (.075 pounds) und etwa 0,445 N (.10 pounds), wenn das Ventil offen ist, betragen. Die Federkraft ist teilweise dem auf der Ventilfläche wirkenden Brennstoffzufuhrdruck gegenübergestellt, der etwa 88,9 mm (3,5 inches) Wassersäule betragen kann. Der somit erzeugte effektive Gasdruck liefert eine Druckdifferenz von etwa 0,203 N/mm² (.0014 psi) über der Membran.
Die in Fig. 5 dargestellte Venturidruckabnahme kann in einer typischen, arbeitenden Ausführungsform etwa 21,756 N/mm² (.15 psi) bei 1000 Umdrehungen pro Minute und 75 % der Nennlast betragen. Der Druck der Feder und die resultierende Druckdifferenz über der Membran sind ausreichend, um eine Fließrate von etwa 2,179 1 (.077 cubic feet) pro Minute von Luft von dem Vergaser zurück zum Regler zwischen Einlaßhüben zu erzeugen. Die durchschnittliche Brennstoffließrate beträgt etwa 6,226 1 (.22 cubic feet) pro Minute bei 1000 Umdrehungen pro Minute und 75 % Nennlast. Der umgekehrte Fluß zwischen Einlaßhüben ist wesentlich, um das Luft/Brennstoff- Äquivalenzverhältnis von 1,4 auf 1,9 bei diesem Betriebspunkt zu erhöhen.
Die Vorbelastung der Feder hat eine Wirkung auf das Äquivalenzverhältnis bei jeder Drehzahl, jedoch ist der Einfluß größer bei niedrigeren Drehzahlen als bei höheren Drehzahlen, wie in Fig. 6 dargestellt. Dies bewirkt, daß das Gemisch bei niedrigen Maschinendrehzahlen magerer ist. Die nachteilige Wirkung der Reglerfeder wird durch Vorsehen einer zum Ausgleich der von der Druckdifferenz über dem Gasventil 106 herrührenden Kraft gerade ausreichenden Federkraft minimiert. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Federkraft 0,08 N (.018 lbs).
Fig. 7 zeigt eine typische Aufzeichnung des Luft/Brennstoff- Massenverhältnisses für verschiedene Maschinendrehzahlen. Kurve A zeigt die unter Verwendung des verbesserten Brennstoffsystems der vorliegenden Erfindung erhaltene Beziehung und Kurve B zeigt im Gegensatz die entsprechende Beziehung bei einem Brennstoffsystem, das keine Pulskompensation hat. Die Aufzeichnung A der Fig. 7 ist relativ konstant, wohingegen im Luft/Brennstoff-Massenverhältnis eine scharfe Änderung in einem nicht kompensierten System beobachtet wird. Das maximale Luft/Brennstoff-Verhältnis tritt bei etwa 2500 Umdrehungen pro Minute in einem nicht kompensierten System auf. Sowohl in höheren wie auch in niedrigeren Drehzahlen ist das Verhältnis für ein nicht kompensiertes System viel zu klein für optimalen Wirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit.

Claims

1. Gaskraftstoff-Vergaseranordnung für eine Gasverbrennungsmaschine mit einem oder zwei Zylindern (10), die aufweist: eine Lufteinlaßleitung (86, 88) und eine Kraftstoffzufuhrleitung (108, 112);

ein Gasdruckreglermittel (90) zum Regeln des Zufuhrdrucks für die Kraftstoffzufuhrleitung (108, 112);

wobei der Regler (90) eine Gaskammer (934) und eine Luftbezugsdruckkaininer (96) aufweist, wobei die Kraftstoffzufuhrleitung (108, 112) mit der Gaskammer (94) kommuniziert;

ein Venturi-Rohr (62) in der Einlaßleitung (86, 88), Gasanschlüssen (64) in dem Venturi-Rohr (62) in Kommunikation mit einem Engstellenbereich des Venturi-Rohrs (62), ein kalibriertes Gasdurchlaßmittel (46) mit minimaler Strömungsdrosselung zum Verbinden der Gaskammer (94) mit den Gasanschlüssen (64);

ein Gasventilteil (106) in Passung mit der Kraftstoffzufuhrleitung (108), ein Federmittel (104), um das Gasventilteil (106) normalerweise in eine die Gaszufuhrleitung verschließende Stellung zu drücken;

eine flexible Membran (98), die die Bezugsdruckkammer (96) und die Gaskammer (94) voneinander trennt;

ein Gasventil-Bedienungelement (100), welches das Ventilteil (106) und die Membran (98) miteinander verbindet; und

eine Ausgleichsleitung (110), welche die Bezugsdruckkammer (96) und die Einlaßleitung (86) stromaufwärts des Ventun- Rohrs (62) miteinander verbindet;

dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßleitung (86) und die Bezugsdruckkammer (96) in enger, uneingeschränkter Strömungsbeziehung sind, wodurch Übergangsdruckänderungen in der Einlaßleitung (86) eine unmittelbare Reaktion durch den Regler (90) bewirken, um ein gewünschtes Ziel für das Luft/- Treibstoff-Verhältnis über einen weiten Bereich von Maschinengeschwindigkeiten und -belastungen aufrechtzuerhalten, wobei die Ausgleichsleitung (110) eine Beziehung von Durchmesser zu iänge in der Weise hat, daß d²/L≥1,016 mm (0,04 Zoll) ist, wobei d = Innendurchmesser der Ausgleichsleitung, und L = Länge der Einlaßleitung (86) zur Luftbezugsdruckkammer (96).

2. Vergaseranordnung nach Anspruch 1, wobei das Gasdurchlaßmittel (46) zum Teil durch ein gasstromsteuerndes Öffnungsventilmittel (48) zum Bestimmen des Stroms der Gaszufuhr zum Venturi-Rohr (62) gebildet wird.

3. Vergaseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Federmittel (104) auf das Gasventil (106) mit einer Kraft einwirkt, die nicht eine Kraft übersteigt, die notwendig ist, um die Gas- und Luftdruckkräfte auf die Membran (98) auszugleichen.