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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine,
die ein System aufweist, um gasförmigen
Brennstoff einzuleiten, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Um
eine genaue Dosierung für
jeden Zylinder vorzusehen, ist es bekannt, hier eine eingebaute allgemeine
Gaszuleitung zu verwenden und mit Hilfe eines Absperrventils mit
unterschiedlichen Kanälen jeden
der Zylinder separat mit einer genau dosierten Menge an Gas zu beliefern,
wobei die Position der Kanäle
elektrisch gesteuert wird und bestimmt wird, wieviel Gas eingespritzt
wird. Wenn dieses System in einem geschlossenen Kreis mit einer λ-Sonde verbunden ist,
können
die augenblicklichen Umwelterfordernisse erfüllt werden. Ein Beispiel dafür kann man
im europäischen
Patent 0 563 223 finden.
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Unter
sich ändernden
Umständen
sind jedoch ansteigend höhere
Erfordernisse für
die optimale Brennstoffmischung erforderlich. Dies kann beispielsweise
das Ändern
der Drehzahl und die Last der Brennkraftmaschinen sein.
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Bei
mit Benzin angetriebenen Brennkraftmaschinen wurden Steuerungen
zur intermittierenden oder sequentiellen Einleitung von (flüssigem)
Benzin entwickelt. Wenn die intermittierende Steuerung bei einer
gleichen oder höheren
Frequenz als die Nockenwellenumdrehungen der Brennkraftmaschine stattfindet,
bietet diese Steuerung die Möglichkeit, die
optimale Menge an Brennstoff für
jeden Verbrennungszyklus zu liefern. Der Grund dafür liegt
darin, dass die Periode, welche für die Brennstoffzufuhr erforderlich
ist, kürzer
ist als die Zykluszeit der Brennkraftmaschine. Während des Einschaltens und
des Ausschaltens der Kraftstoffzufuhr können Probleme jedoch beim Liefern
der korrekten Menge an Brennstoff für die separaten Zylinder auftreten.
Durch simultanes Einschalten oder Ausschalten der Brennstoffzufuhr
mehrerer Zylinder empfängt
ein oder mehrere der Zylinder lediglich einen Teil des erforderlichen
Brennstoffs, wodurch sich eine nichtkorrekte Mischung ergeben kann.
Wenn die Steuerung vollständig
sequentiell ist, d.h., für
jeden separaten Zylinder die korrekte Menge an Brennstoff im korrekten Zeitpunkt,
kann dann die Dosis ebenfalls korrekt während des Einschaltens und
Ausschaltens der Brennstoffzuführ
geliefert werden.
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Abgesehen
von dem Vorteil wird, wenn gestartet und ausgeschaltet wird, eine
weitere Reduktion der Emission durch sequentielle Steuerung dadurch
erreicht, dass das Einleiten des Brennstoffs im höchst optimalen
Zeitpunkt für
den bestimmten Zylinder stattfindet.
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Aus "SAE Technical Paper
Series" 951913 "Ultra Rapid Natural
Gas Port Injection" ist
ein sequentielles Mehrfach-Einspritzsystem für Erdgas (Methan) bekannt.
Die hier verwendete Düse
hat ein plattenförmiges
Metallventil, welches durch eine Spule betätigt wird. Ein solches System
funktioniert nur mit einem vergleichsweise hohen Vordruck (mehrere
Bar), erfordert eine beträchtliche
elektrische Leistung, während
die Abnutzung nicht vernachlässigbar
ist und höher
ist als die Lebensdauer der anderen Motorkomponenten. Die Abmessungen
der Spule insbesondere sind ein Hindernis, diesen Aufbau zu realisieren.
Vor allem bei der modernen Brennkraftmaschine ist ein beschränkter Platz
für das
(nachträgliche)
Einbauen von Düsen
für gasförmigen Brennstoff
verfügbar,
und es muss ein ausreichender Freiheitsgrad bei der Installationsposition vorhanden
sein. Durch intermittierendes oder sequentielles Einspritzen wird
ein größerer Freiheitsgrad
in bezug auf das Ventilsteuern und die Krümmergeometrie erreicht.
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Die
US-4 503 887 offenbart ein Dosiersystem für eine Benzinpumpe. Es ist
ein Ventil vorgesehen, welches einen Hauptkanal und einen Hilfskanal aufweist,
wobei im Hauptkanal eine Membran vorgesehen ist, die durch die Öffnungsposition
des Hilfskanals gesteuert wird.
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Die
US 5 052 360 offenbart einen
Mehrzylindermotor, wobei jeder Zylinder mit seiner eigenen Einspritzdüse zum intermittierenden
Einspritzen von gasförmigem
Brennstoff versehen ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erläuternden
Nachteile zu vermeiden. Diese Aufgabe wird bei einer Brennkraftmaschine,
die oben beschrieben wurde, mit den Merkmalen gemäß dem Patentanspruch
1 realisiert.
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Man
hat herausgefunden, dass mit einem vergleichbaren einfachen Hilfs/Hauptventilaufbau das
Umschalten insbesondere mit hohen Frequenzen möglich ist, ohne dass nicht
zulässige
Abweichungen von der Öffnungscharakteristik
des Hauptventils auftreten. Dieser Aufbau gibt außerdem einen höheren Freiheitsgrad
in bezug auf die Sitzabmessungen des Hauptventils und den Arbeitsdruck.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass aus der holländischen Anmeldung 9 101 106
ein Dosierungsventil für
pneumatische Zwecke bekannt ist. Dort wird ein Hilfsventil verwendet,
welches auf einer Seite mit dem Gasauslass verbunden ist. Die andere
Seite des Hilfsventils ist nicht unmittelbar mit der Gaszufuhr verbunden,
sondern es ist eine Membran dazwischen angeordnet. Es wird angenommen,
dass durch den Unterdruck im Auslass, wenn das Hilfsventil offen
ist, die Membran vom Einlass weggesaugt wird, so dass eine größere Zufuhr
freigegeben wird. Bei dieser bekannten Konstruktion schließt die Membran
zwei kleine Leitungen, die über
einen Kanal mit der anderen Seite der Membran verbunden sind und liefert
so die Steuerung. Es ist daher möglich,
dass während
der Schließbewegung
der Membran zu den kleinen Leitungen insbesondere ein Zeitverzögerungseffekt
erzeugt wird, der zu einem Stotterverhalten gipfeln kann.
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Die
JP-A 0 601 77 09 offenbart ein Stößelventil, welches die gasförmige Kraftstoffzufuhr
einer Brennkraftmaschine steuert.
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Dieser
Aufbau zielt auf die zentrale Einleitung von Kraftstoff mit einem
Mischer, während
die Aufgabe der Anmeldung die Verwendung von einem oder mehreren
Düsen für jeden
Zylinder (Mehrpunkteinspritzung) zum Ziel hat.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist eine Steuerung für die separate Steuerung aller
Dosierventile in Abhängigkeit
von Betriebszuständen
dieser Brennkraftmaschine vorhanden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist das Hilfsventil unmittelbar mit einer Seite mit der
Gaszufuhr und auf der anderen Seite mit dem Gasauslass verbunden,
wobei der Raum des Hauptventils mit der Gaszufuhr über eine
Verengung verbunden ist. Insbesondere umfasst das Hauptventil ein
gesteuertes Membranventil, wobei auf einer Seite der Membran der
Gaszufuhrdruck auf die Verengung wirkt und wobei über einem
Teil der anderen Seite der Membran der gleiche Gaszufuhrdruck wirkt
und auf einem weiteren Teil der anderen Seite der Gasauslassdruck
aufgebracht wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
wird der Gasauslass des Haupt- und Hilfsventils anteilig genutzt.
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Die
Membran kann irgendein Material aufweisen, welches durch den Stand
der Technik bekannt ist, wobei insbesondere Gummimaterialien bevorzugt
werden. Das Hilfsventil kann irgendein bekanntes Ventil sein, welches
durch den Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise ein Nadelventil oder
ein Tellerventil.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung sind das Hauptventil und das Hilfsventil so ausgebildet,
dass maximal 30% der Gesamtmenge an Gas durch das Hilfsventil und
minimal 70% durch das Hauptventil fließen.
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Die
Erfindung wird nun anschließend
mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels,
welches in den Zeichnungen gezeigt ist, ausführlich erläutert. Diese zeigen:
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1 sehr
schematisch einen Teil einer Brennkraftmaschine, die mit dem System
gemäß der Erfindung
versehen ist;
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2 weiter
ausgearbeitet das Dosierventil, welches in dieses System eingebaut
ist, und
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3 eine
Konstriktion des Dosierventils gemäß der Erfindung, welches in
der Praxis verwendet wird.
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In 1 ist
eine Brennkraftmaschine gezeigt und allgemein mit r bezeichnet.
Lediglich ein Einsatz des Systems in Kombination mit dieser Brennkraftmaschine
ist gezeigt. Es soll verstanden sein, dass ein System, welches mit
Benzin arbeitet, vorhanden sein kann, wobei möglicherweise vorhandene Sensoren
anteilig genutzt werden können.
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Verschiedene
Teile der Brennkraftmaschine sind schematisch dargestellt, und diese
bestehen aus zumindest zwei Kolben 2 und zwei Zylindern 3. Einlassventile 5 sind
in die Einlasskanäle 4 eingebaut.
Stromaufwärts
von den Einlassventilen ist immer eine Ansaugöffnung 12 für Gas vorhanden,
welche über
ein Dosierventil 6 mit einer Abzweigung 11 der
Gaszufuhr 10 verbunden ist. Es ist nicht gezeigt, wie Gas 10 zugeführt wird.
Dies kann über
einen Vergaser oder über
eine andere Konstruktion, die durch den Stand der Technik bekannt
ist, geschehen. Es soll klargestellt sein, dass die Brennkraftmaschine eine
mobile wie auch eine stationäre
Maschine sein kann.
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Wie
man in 2 sieht, weist das Dosierventil 6 (Düse) ein
Hauptventil und ein Hilfsventil auf, wobei das Hilfsventil elektrisch über ein
Kabel 7 gesteuert wird, welches mit einer Steuerung 8 verbunden ist.
In der Steuerung 8 kommen mehrere Kabel zusammen, beispielsweise
das Kabel 9, welches mit anderen Motorsensoren (nicht gezeigt)
verbunden ist.
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Diese
Sensoren können
beispielsweise an der Nockenwelle und/oder der Kurbelwelle angebracht
werden, um die Position des Motors 1 genau einzurichten.
Es ist außerdem
möglich,
Signale von einer Steuerung, die schon in dem Motor vorhanden ist,
beispielsweise zur Benzineinspritzung anzuzapfen. Das Kabel 13 ist
mit dem Sensor 14 verbunden, der die Position der Schwungscheibe 31 der
Brennkraftmaschine beobachtet.
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In 2 ist
ein Dosierventil 6 ausführlicher dargestellt.
Diese zeigt, dass die Abzweigung 11 in die Gasansaugöffnung 22 des
Gehäuses 15 läuft. Ein Gasauslass 23 ist
im Gehäuse 15 ebenfalls
eingebaut, der in die Gasauslassleitung 12 führt. Ein
Hilfsventil 16 ist auf der Gehäuseseite 15 angebracht. Dieses
besteht aus einer stationären
elektrischen Spule 17, die über ein Elektrokabel 7 betrieben
wird. Im Innenraum befindet sich eine Spindel 21 eines
Nadelventils 18, die durch Einwirkung der Magnetkraft, welche
durch die Spule 17 erzeugt wird, und durch die Feder 19 hin-
und herbewegt werden kann. Das Nadelventil 18 wirkt auf
einen Ventilsitz 20, der zu einem Auslasskanal 30 führt.
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Das
Gehäuse 15 ist
in eine Kammer 25 und in eine ringförmige Kammer 29 unterteilt.
Die Unterteilung dieser beiden Kammern wird durch die Membran 27 realisiert.
Die Gasansaugöffnung
ist unmittelbar auf einer Seite mit der Kammer 29 und auf
der anderen Seite über
die Verengung 26 mit der Kammer 25 verbunden.
Die Kammer 25 ist auf der anderen Seite mit dem Nadelventil 18 verbunden.
Außerdem ist
die Membran 27 mit dem Gasauslass 23 verbunden.
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Der
Aufbau, der mit Hilfe von 2 beschrieben
wurde, arbeitet wie folgt: Wenn das Nadelventil 18 geschlossen
ist, wird die Membran gegen den Dichtungsring 28 aufgrund
der Abmessungen der verschiedenen Flächen gepresst, da der Gasauslass 23 allgemein
einen niedrigeren, jedoch in keinem Fall einen höheren Druck als den Gaszufuhrdruck
hat. Das Gas kann daher weder über
die Membran 27 noch über
das geschlossene Nadelventil oder die Gaseinlassöffnung 22 in den Gasauslass 23 gelangen.
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Wenn
ein Gasfluss zum Gasauslass 23 erforderlich ist, wird das
Hilfsventil 16 durch Erregen der Spule 17 geöffnet. Folglich
wird Gas von der Gasansaugöffnung 22 über die
Verengung 26 längs
des Nadelventils 18 in den Kanal 30 fließen. Aufgrund des
Vorhandenseins von Unterdruck im Auslass 23 (Ansaugdruck)
und der Verengung 26 wird der Druck in der Kammer 25 niedriger
sein als der Gaszuführdruck,
d.h., der Druck in der Kammer 29. Folglich wird sich die
Membran 27 nach oben bewegen, und es wird ein unmittelbarer
Fluss von der Kammer 29 zum Gasauslass 23 stattfinden.
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Wenn
das Nadelventil 18 dann schließt, wird der Druck über der
Membran, d.h., m der Kammer 25 ansteigen, da die Wirkung
der Verengung 26 rückgängig gemacht
ist. Somit wird die Membran 27 wieder gegen den Ring 28 gedrückt.
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Während der
Versuche wurde erkannt, dass mit diesem Aufbau mit sehr hoher Geschwindigkeit umgeschaltet
werden kann. Tests wurden bis zu mehreren 100 Hz durchgeführt, wobei
keine Probleme auftraten. Mit einer normalen schnell-drehenden Brennkraftmaschine,
die mit dem Viertaktprinzip arbeitet, wird die Frequenz in der Praxis
ungefähr
200 Hz sein, und die maximale Ansteuerfrequenz wird zwischen 60
und 70 Hz für
hochdrehende Motore sein.
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Da
die Bewegung der Membran keinen Einfluss auf ihre Steuerung hat,
wie bei dem Aufbau, der in der holländischen Patentanmeldung 9
101 106 beschrieben wurde, ist der mögliche begleitende Verzögerungseffekt
nicht vorhanden. Das heißt,
das Gas, welches über
die Verengung 26 geführt
wird, die einen Aufbau eines Drucks auf der Membran 27 für ein geschlossenes
Absperrventil zur Folge hat, wird nicht über die Verengung geführt, die
von der Position der Membran abhängt.
Aufgrund davon kann eine gut definierte Öffnungs- und Schließbewegung
garantiert werden.
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Es
sei angemerkt, dass durch geeignete Bemessung für verschiedene Kanäle und Flächen und des
ausschlaggebenden Drucks auf beiden Seiten der Membran 27 und
des Auslasses der Verengung 26 die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit
der Membran gesteuert werden kann. Diese und weitere Variationen
sind dem Fachmann klar, nachdem er die vorausgegangene Beschreibung
gelesen hat und sind innerhalb des Rahmens der beigefügten Patentansprüche. Mit
dem Aufbau gemäß der Erfindung
ist es nicht notwendig, Gas unter hohem Druck zuzuführen. Überhaupt
hat das Hauptventil eine ausreichende große Fläche, um das Zuführen von
Gas mit vergleichsweise niedrigem Druck zu ermöglichen, so dass keine Probleme
während
der Verwendung bei Gasen verursacht werden, die Butan enthalten,
während
bei einem hohen Druck die Gefahr eines Übergangs in die Flüssigkeitsphase
vorhanden ist. Der Hauptauslass 23 kann wie oben beschrieben
beispielsweise einen Durchmesser von 3 mm haben, während der
angewandte Gasdruck ungefähr
1 bis 2 Bar Überdruck
haben kann.
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Durch
einfaches Verändern
des Durchmessers beispielsweise, beispielsweise durch Anordnen weiterer
Ringe oder Abstandsstücke
im Bereich von 2-4 mm kann das Ventil an eine bestimmte Kraftstoffart
und/oder Brennkraftmaschine angepasst werden.
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Es
wurde herausgefunden, dass mit einer Gaszufuhr mit einem Volumen
von ungefähr
5% durch das Hilfsventil und den Kanal mit einem Volumen von zumindest
95% von Gas durch das Hauptventil eine ausreichend genaue Steuerung
des Hauptventils erreicht werden kann. Dies bedeutet, dass das Hilfsventil
in einer besonders kleinen und schnell reagierenden Aufmachung hergestellt
werden kann.
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Man
sieht, dass die Beziehung zwischen der Menge an Gas, die durch das
Hilfsventil fließt,
und der Menge, welche durch das Hauptventil fließt, von den Betriebszuständen extrem
abhängig
ist. Wenn die Öffnungs-/Schließbewegung
einen vergleichsweise großen
Teil der Öffnungszeit
einnimmt, wird der Prozentsatz an Gas, der durch das Hilfsventil fließt, gegenüber der
Situation stark verschieden sein, wo die Schließzeit der verschiedenen Ventile
in bezug auf die Öffnungs-/Schließzeit weniger
relevant ist. Außerdem
soll verstanden sein, dass verschiedene Hilfsventile hintereinander
geschaltet werden können,
um einen Stufenverstärker
zu realisieren.
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Mit
der Konstruktion gemäß der Erfindung
ist lediglich eine kleine Menge an elektrischer Leistung erforderlich,
um dieses anzusteuern, im Gegensatz zu den intermittierenden Mehrfachgasdüsen, die
aktuell auf dem Markt sind.
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In 1 ist
eine Praxis realisierte Ausführungsform
des Aufbaus gemäß der Erfindung
gezeigt. Dieser ist allgemein mit 36 bezeichnet. Das elektrische
Ansteuerkabel ist mit 37 angedeutet und mit einer Steuerung
(nicht gezeigt) verbunden. Diese versorgt eine Spule 47 mit
Energie. Die Spule ist mit einer Ankerplatte 41 versehen,
die sich in Richtung auf die Spule bewegt, wenn diese erregt wird.
Diesen Bewegungen wird durch eine Membranfeder 49 entgegen
gewirkt. Das tatsächliche
Absperrventil ist mit 48 bezeichnet und besteht aus einem
Gummimaterial, welches gegen einen Sitz 50 abgedichtet
ist. Gas wird durch eine Leitung 41 eingebracht und fließt um die
Spule 47 herum. Dies hat zur Folge, dass diese Spule 47 gekühlt wird.
Gas läuft
durch den Kanal 54 und durch die Verengung 46,
um über
die Membran 57 in die Kammer 55 zu gelangen. Diese
Membran 57 ist in bezug auf den Dichtungsrand 58 abgedichtet,
wo auch eine Kammer 59 gefunden werden kann. Der Gasauslass
ist mit 53 bezeichnet, und dies führt zu einem schematisch gezeigten
Teil eines Einlasskrümmers 40.
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3 zeigt,
dass die Vorrichtung extrem kompakt ausgebildet sein kann. Es wurde
technisch erprobt, dass es möglich
ist, den Durchmesser der Hauptteile der erfinderischen Vorrichtung
kleiner als 2 cm zu machen.
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Obwohl
die Erfindung mit Hilfe von wenigen bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wurde, soll verstanden sein, dass Änderungen leicht durchgeführt werden,
die für
den Fachmann klar sind und die innerhalb des Rahmens der beigefügten Patentansprüche liegen.