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Die
Erfindung betrifft einen Druckminderer-Heizer von Gas eines Einspritzsystems
mit verteiltem Monopunkt oder gasförmigem Multipunkt für einen
Verbrennungsmotor, der mit einem gasförmigen Kraftstoff gespeist
wird, aus Flüssiggas
oder Erdgas für
Fahrzeuge zum Beispiel ..., einem Motor, der insbesondere zum Ausstatten
eines Kraftfahrzeugs bestimmt ist.
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Die
Bauart eines derartigen Systems gemäß einer aktuellen Ausführungsform
der Marke KOLTEC-NECAM, die in dem Schema der 1 dargestellt
ist, umfasst einen Gastank 1, der mittels eines Sicherheits-Elektroventils 2 mit
einem Dampf-Druckminderer 3 verbunden
ist, dessen Rolle es ist, das Gas zu verdampfen, wenn es flüssig ist,
wie das Flüssiggas,
oder es aufzuwärmen,
wenn es in gasförmiger
Form ist, wie das Erdgas oder das Flüssiggas nach seiner Verdampfung,
den Auslassdruck des Gases auf einen gegebenen Wert zu steuern,
konstant oder variabel, und die Zuführung bzw. Versorgung des Motors
mit Gas über
das Elektroventil, das normalerweise geschlossen ist und stromaufwärts der
Druckmindererleitung angeordnet ist, abzuschalten.
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Der
Auslass des Druckminderers 3 ist mit einem Dosierer-Verteiler
von Gas 4 vom Typ Einspritzdüse verbunden, welcher das Gas
bei dein Auslassdruck des Druckminderers empfängt, um dort die Steuerung
des Durchsatzes und seine Verteilung auf jeden Ast eines Luft-Einlasskrümmers 6 des
Motors über
Rohre 5 sicherzustellen.
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Versorgungsdüsen 7,
welche auf dem Krümmer
befestigt sind und in gleicher Anzahl zu derjenigen der Zylinder 8 vom
Typ Null-Druck-Regler, sind dafür
bestimmt, stark die Fluktuationen von Versorgungsdruck des Gases
in dem Motor zu verringern, stromabwärts des Dosierer-Verteilers.
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Wenn
der Gasdurchsatz im Unterschallbereich an der Stelle der Abschnitte
ist, welche die Verteilung und/oder die Steuerung des Durchsatzes
sicherstellen, sind diese Fluktuationen ursächlich für beträchtliche Dispersionen des Gasdurchsatzes
von Stelle zu Stelle des Dosierer-Verteilers und somit der Reichhaltigkeit
von Zylinder zu Zylinder.
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Außerdem stellen
die Düsen
ein direktes Abschalten der Versorgung mit gasförmigem Kraftstoff (Fuel Cut
Off, FCO) so nah als möglich
an der Einspritzzone auf dem Einlasskrümmer sicher, um Emissionen
von unverbrannten Kohlenwasserstoffen während einer Verzögerung zu
vermeiden. Sie erlauben es ebenso, die Entleerung von Rohren zu
vermeiden, welche den Dosierer-Verteiler mit dem Einlasskrümmer verbinden,
während
eines Abschaltens von Gas bei der Verzögerung, was eine schnellere Wiedereinkupplung
des Motors erlaubt.
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Diese
zwei letzteren Punkte sind umso wichtiger, als das Stellglied des
Dosierer-Verteilers
langsam ist und als die Verbindungsrohre zwischen diesem Dosierer-Verteiler und dem
Krümmer
lang sind.
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Die
Bauart umfasst des Weiteren Verbindungsrohrleitungen zwischen den
verschiedenen Komponenten, einen elektronischen Rechner 9 einer Steuerung
des Motors, der mit gasförmigem
Kraftstoff versorgt wird, welche die gleiche sein kann, wenn der
Motor ebenso mit Benzin versorgt wird wie der elektronische Steuerrechner,
welcher die Benzinversorgung steuert.
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Eine
aktuelle Dampf-Druckminderer-Vorrichtung der gleichen Marke KOLTEC
NECAM, welche in den Anwendungen von Fahrzeugen benutzt wird, die mit
Flüssiggas
oder Erdgas gespeist werden, ist in 2 dargestellt,
gesehen im Querschnitt. Sie weist ein nicht-dargestelltes Sicherheits-Elektroventil
auf, welches das Abschalten der Versorgung mit gasförmigem Kraftstoff
sicherstellt und die Rolle eines normalerweise geschlossenen Sicherheitsventils
spielt. Sie weist ebenso ein System zur Steuerung des Auslassdrucks
auf, das durch eine mechanische Dosierung des Versorgungsdurchsatzes
des Druckminderers an gasförmigem
Kraftstoff erfolgt. Diese Dosierung wird durch die Verstellung eines
Verschlusses 21 erhalten, der fest mit einer Membran 22 verbunden
ist, welche selbst sich in Abhängigkeit
vom Druckunterschied, der auf jede ihrer Flächen ausgeübt wird, verstellt. Das System
umfasst ebenso einen Wärmetauscher 23,
der die Kühlflüssigkeit
des Motors verwendet, um den flüssigen
Kraftstoff zu verdampfen.
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Die
aktuell vermarkteten Versorgungssysteme mit Gas verwenden Druckminderer
vom mechanischen Typ mit Membran und Federn. Diese letzteren weisen
als Nachteile nicht nur einen sehr beschränkenden Raumbedarf auf, sondern
des Weiteren ein Verhalten, das durch beträchtliche Verzögerungseffekte
charakterisiert ist, eine starke Hysterese, eine Fragilität gegenüber direkten
Abschaltungen bei Verzögerung,
die durch den Dosierer-Verteiler hervorgerufen werden, und eine
beträchtliche
Dispersion der Druckregelung aufgrund von beträchtlichen Herstellungsstreuungen,
d.h. Streuung der Federsteifigkeit, Regulierung ihrer Vorspannungen
... und der Alterung der mechanischen Teile.
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Tatsächlich erfolgt
die Regulierung des Drucks unter einem Einwirken auf den Einlassdurchsatz
des Gases über
ein mechanisches System, welches eine gewisse Trägheit aufweist. Außerdem erhöht das Aufheizen
und in einem ganz beträchtlich höheren Maße die Verdampfung
des Gases im Falle von Flüssiggas
den Auslassdruck des Druckminderers mit einer Trägheit, die von der Qualität des thermischen
Austauschs, der Zusammensetzung des Gases, seines Drucks und seiner
Temperatur am Einlass des Druckminderers, der Temperatur und des Durchsatzes
von Motorkühlflüssigkeit,
die in dem Druckminderer durch den Wärmetauscher 23 hindurchgeht,
etc. ... abhängt.
Die Sensibilität
und die Antwortzeiten des Regelmechanismus des Drucks sind umso
höher,
als die Membran 22, welche verwendet wird, groß ist. Die
besseren mechanischen Druckminderer sind somit sehr raumeinnehmend,
jedoch besitzen sie eine größere Sensibilität gegenüber Beschleunigungen
ihrer beweglichen Ausstattung, wobei die Membranen und die Federn
schwerer sind. Die Bewegungen des Fahrzeuges und der Straßenzustand
können
also Funktionsstörungen
in der Regelung des Druckes am Auslass des Druckminderers hervorrufen.
Insofern, dass diese Druckminderer mechanisch sind, gibt es keine
voraussagende Korrektur des möglichen
Drucks, weder im Hinblick auf die Nachfrage des Motors noch im Hinblick
auf einen Wärmeaustausch
des Druckminderers noch im Hinblick auf die mechanische Trägheit der
beweglichen Elemente des Druckminderers. Es sind somit diese geringen
Dynamiken der Druckminderer, die mit einer Unmöglichkeit, eine vorausschauende
Korrektur zu realisieren, verbunden sind, welche der Grund für beträchtliche
Verzögerungseffekte
sind. Diese letzteren werden im Fall von Flüssiggas aufgrund der Dynamik
der Verdampfung verstärkt,
welche zu den vorherigen Phänomenen
hinzukommt.
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Die
Hysterese-Phänomene
sind aufgrund der asymmetrischen Art der Regelung gegeben. Wenn
der Auslassdruck des Druckminderers schwächer als der durch die Regelung
der Kräfte
der Feder auf die Membran auferlegte Sollwert ist, erlaubt der Regelmechanismus
des Drucks somit den Einlass von flüssigem Flüssiggas oder Erdgas in den
Druckminderer, welches unter einem Verdampfen und/oder unter einem
Aufheizen den Druck erhöht.
In dem Fall von Erdgas tritt das Gas schon in Dampfform ein und erhöht somit
den Druck durch Zunahme der Anzahl von Gasmolen und Erhöhung der
molekularen Anregung aufgrund seiner Erwärmung.
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Wenn
der Druck am Auslass des Druckminderers größer ist als der Sollwert, verschließt sodann der
Regelmechanismus des Drucks den Eingang von Gas in dem Druckminderer,
welcher somit keine mögliche
Korrekturwirkung mehr aufweist. Lediglich der Gasverbrauch durch
den Motor kann somit den Druck abfallen lassen, um ihn auf seinen
Sollwert zu bringen. Dieses Phänomen
ist sehr ausgeprägt
während
einem Abschalten in der Verzögerung
der Gasversorgung, das z.B. durch den Dosierer-Verteiler realisiert
wird. Tatsächlich
verfügt
das Gas über
mehr Zeit, um sich zu erhitzen, und der Druck zur Wiedereinkupplung
des Fahrzeuges ist somit größer als
der Sollwert. Dieses Phänomen
wird sehr deutlich in zwei Fällen
verstärkt,
einerseits, wenn der Gasdruck dem Krümmerdruck unterworfen wird,
der ein Bar + Pcoll in dem Fall des Druckminderers von KOLTEC NECAM
ist – der
Druck bei der Wiedereinkupplung kann 1,9 Bar anstatt von 1,25 Bar
betragen –;
und andererseits, wenn das Gas Flüssiggas ist und ein Teil des Flüssiggases
nicht die Zeit hatte, sich vor dem Schließen der Einlassöffnung von
Gas in den Druckminderer zu verdampfen. Dieses erfolgt somit mit Verzögerung unter
einem deutlichen Erhöhen
des Auslassdruckes des Druckminderers.
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Zwei
komplementäre
Lösungen
sind somit zum Abschwächen
dieses Effekts denkbar. Man muss die Anzahl von Druckregelstufen
des Druckminderers erhöhen,
um das Phänomen
zu begrenzen, das mit dem Aufheizen des Gases im Allgemeinen und
mit der Verdampfung des Flüssiggases
im Besonderen verbunden ist, und eine Druckkorrektur des Durchsatzes
von Kraftstoff auf Höhe
des Dosierer-Verteilers realisieren für ein verteiltes Monopunkt-System
oder Gas-Einspritzdüsen für ein gasförmiges Multipunkt-System.
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Die
erste Lösung
erhöht
das Volumen des Druckminderers und seinen Ladungsverlust, was nicht
wünschenswert
ist, unter Berücksichtigung
der Beschränkungen
im Raumbedarf unter der Motorhaube, mit welchen die automobilen
Konstrukteure konfrontiert sind, und der natürlichen Betriebsbeschränkungen,
die mit zu schwachen Drücken
in dem Flüssiggastank
bei kaltem Wetter verbunden sind.
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Die
zweite Lösung
kennt Grenzen aufgrund der Tatsache von der Technologie von Einspritzdüsen von
Gas oder derjenigen von Dosierer-Verteilern. Tatsächlich erfordert
ein Sich-Begnügen
eines Korrigierens dieser Art von Fehlern ohne sie an der Quelle zu
bekämpfen
beträchtlichere
Dosierungsdynamiken des Gases, die bei niedrigen Kosten schwierig
zu realisieren sind. In allen Fällen
ist eine Korrektur umso wirksamer, als der zu korrigierende Fehler schwach
ist.
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Schließlich sind
die Membranen sehr anfällig gegenüber direkten
Abschaltungen des Durchsatzes von Gas, die durch Regelbauteile des
Durchsatzes hervorgerufen werden, ab dies Dosierer-Verteiler oder
Gas-Einspritzdüsen
sind, die stromabwärts
der Druckminderer angeordnet sind. Diese Anfälligkeit erklärt sich
durch Kräfte,
die mit einer Dynamik des Durchsatzes von flüssigem Flüssiggas verbunden sind, welchen
man abrupt durchbrechen muss, was beträchtliche Kräfte mit sich bringt, die für den ausdauernden
Halt der Membranen verheerend sind.
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Die
Erfindung zielt darauf ab, die vorigen Nachteile, welche mit der
Technologie von mechanischen Druckminderern verbunden sind, deutlich
zu reduzieren, unter einem Vorschlagen eines neuen Konzepts eines
Druckminderers mit elektronischer Druckregelung für gasförmige Kraftstoffe
vom Typ Flüssiggas
oder Erdgas ausgehend von Regelmitteln seines Drucks am Auslass
und einem Wärmetauscher
und einem besonderen Regelmodus seines Auslassdrucks.
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Hierfür ist der
Gegenstand der Erfindung eine Druckminderer-Heiz-Vorrichtung von
Gas eines Einspritzsystems von gasförmigem Kraftstoff für einen
Verbrennungsmotor, weiche eine Wärmetauschervorrichtung
aufweist, die Kühlflüssigkeit
des Motors verwendet und Mittel zur Steuerung des Auslassdrucks
des Gases, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Auslassdrucks
des gasförmigen
Kraftstoffs durch eine Überwachung
des Durchsatzes von gasförmigem
Kraftstoff am Einlass der Druckminderer-Heiz-Vorrichtung mittels
eines elektronischen Rechners sichergestellt wird.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung ist die Druckminderer-Heiz-Vorrichtung von Gas
derart, dass der Auslassdruck des gasförmigen Kraftstoffs elektronisch
auf einen Wert proportional zum Druck in dem Einlasskrümmer des
Motors durch Regelung des Gasdurchsatzes am Eingang des elektronischen
Rechners geregelt wird, um eine Betriebsweise im Schallbereich der
Verteilungsvorrichtung und/oder Einspritzvorrichtung des Gases für mindestens
einen Betriebsbereich des Motors zu erhalten.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die Druckminderer-Heiz-Vorrichtung von Gas eines Einspritzsystems
von gasförmigem
Kraftstoff dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschervorrichtung in einer äußeren Hülle, in
welcher die Kühlflüssigkeit
des Motors zirkuliert, ein Rohr umfasst, das aus einem gut wärmeleitenden
Material realisiert ist und kompatibel mit einerseits dem gasförmigen Kraftstoff,
welchen es transportiert, und andererseits mit der Kühlflüssigkeit
ist, wobei dieses Rohr am Einlass des Wärmetauschers mit dem Zuführrohr von gasförmigem Kraftstoff
verbunden ist, dessen Dosierung durch ein Bauteil bewirkt wird,
das durch den elektronischen Steuerrechner gesteuert wird, welcher
die Druckmessung des Kraftstoffs am Auslass des Druckminderers empfängt, der
durch einen Drucksensor geliefert wird.
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der Beschreibung
mehrerer Ausführungsformen
offenbar, die durch die nachfolgenden Figuren dargestellt sind,
welche außer
den schon beschriebenen 1 und 2 sind:
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3 ein
Prinzipschema einer Druckminderervorrichtung von Gas eines Einspritzsystems
der Erfindung;
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4, 5 und 10 drei
Beispiele einer ersten Ausführungsform
einer Druckminderervorrichtung von Gas gemäß der Erfindung;
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6 bis 9a und 9b vier
Beispiele einer zweiten Ausführungsform
einer Druckminderervorrichtung von Gas gemäß der Erfindung.
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Das
Prinzipschema des Druckminderers mit elektronischer Druckregelung,
welches Gegenstand der Erfindung ist, ist in 3 dargestellt.
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Der
gasförmige
Kraftstoff, ob dies flüssiges Flüssiggas
oder Erdgas sei, wird am Einlass 30 eines Wärmetauschers 31 durch
ein elektromagnetisches Verschlussbauteil 32 dosiert, das
durch den elektronischen Steuerrechner 33 des Motors gesteuert
wird. Dieser Rechner kann derjenige der Steuerung des Motors sein,
der mit Benzin versorgt wird, oder derjenige für die Versorgung mit gasförmigem Kraftstoff oder
derjenige für
die Versorgung mit Bi-Kraftstoff, Benzin und Gas. Dieses Bauteil 32 ist
aus einer Dosierungsvorrichtung vom Typ drehendem oder nicht-drehendem
Kegelventil oder Nadelschieber gebildet, das durch einen Schrittmotor,
einen Drehmomentmotor, Gleichstrommotor oder jedes andere Mittel
betrieben wird, welches es erlaubt, die Dosierungsvorrichtung gleiten
oder drehen zu lassen. Dieses Bauteil 32 kann auch vom
Typ einer elektromagnetischen Einspritzdüse sein, welche aus einer Zylinderspule
und einem kleinen Ventil oder einer Nadel gebildet wird, wie z.B.
eine Einspritzdüse
mit großem Durchsatz,
welche z.B. bei Benzin verwendet wird.
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Die
Steuerung des Durchsatzes, welche durch den Steuerrechner 33 des
Motors durchgeführt wird,
wird auf gepulste oder kontinuierliche Art und Weise gemäß dem Regelungsbauteil 32 des
zurückgehaltenen
Durchsatzes durchgeführt.
Der Druck am Auslass 34 des Druckminderers wird durch einen Drucksensor 35 gemessen,
z.B. von demjenigen Typ, welcher zum Messen des Drucks in dem Einlasskrümmer eines
aufgeladenen Motors verwendet wird. Die durch den Drucksensor 35 gelieferte
Information wird durch den Motorsteuerrechner 33 aufbereitet,
welcher den Gasdurchsatz am Einlass des Druckminderers folglich
steuern wird, um den Druck auf den durch den Motorsteuerrechner 33 gelieferten Schwellenwert
zu regeln.
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Die 4 und 5 sind
zwei Beispiele einer ersten Ausführungsform
eines Druckminderers von Gas mit elektronischer Druckregelung gemäß der Erfindung.
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Die
Wärmetauschervorrichtung
kann vorteilhafterweise um das Zuführrohr 41 von Gas
unter der Motorhaube realisiert sein. Die wärmeleitende Kühlflüssigkeit 42 des
Motors zirkuliert in einer Hülle,
welche die Form eines Rohrs vom Typ Durit aufweisen kann.
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Das
Zuführrohr 41 von
Gas ist verlängert nach
dem Dosierungsbauteil 44 von flüssigem Flüssiggas oder Erdgas, das am
Einlass des Druckminderers angeordnet ist, durch ein Rohr 45 einer
parallelen longitudinalen Achse oder mit derjenigen der Hülle zusammenfallend.
Das Rohr 45 ist z.B. aus nicht-rostendem Stahl oder aus
Aluminium von einem identischen oder größeren Durchmesser zum Durchmesser
der Zuführleitung
von Gas vom Tank, welche vorzugsweise aus Stahl sein wird. Die äußere Hülle 43 kann
an ihren Enden 46 vorgeformt sein, wie es 4 zeigt,
um sich dem Durchmesser des Rohres 45 anzuschmiegen, oder
mit Dichtigkeitsansätzen 50 versehen
sein, die als Stützen
für das
Rohr 45 in der Hülle 43 dienen,
wie es 5 zeigt.
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Die
Zentrierung des Gasrohres 45 in der äußeren Hülle 43 wird durch
das Einsetzen von Zentrierungselementen zwischen diese zwei Elemente
sichergestellt oder aber durch den Halt des Gaszuführrohres
an der Karosserie des Fahrzeuges an den Enden der Wärmetauschervorrichtung
und demjenigen der Hülle
an der Karosserie mittels Befestigungshaken 47 an einigen
Punkten. Die Gesamtheit des Wärmetauschers
kann vorgeformt sein, um einem gewundenen Verlauf unter der Motorhaube
zu folgen. Dieses Beispiel ist wenig kostenspielig, da der Wärmetauscher
auf ein Durit zusammengefasst ist, wobei das Gasrohr darüber hinaus
für die
Gaszufuhr besteht.
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Diese
Realisierungen sind wenig kostenspielig und leicht umzusetzen, da
sie leicht zu integrieren sind, wobei der äußere Durchmesser des Durit
in der Nähe
von 20 bis 25 mm und die Länge
geringer als 1 Meter für
Motoren mit schwachem oder mittlerem Hubraum ist.
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Die 6, 7 und 8 stellen
andere Beispiele einer zweiten Ausführungsform von Wärmetauschern
dar, die kompakt sind und von einem geringen hinzugefügten Wert.
Das Prinzip ist im großen
und ganzen identisch zum zuvorigen Druckminderer, stellt jedoch
ein spezifisches Teil dar. Der Wärmetauscherteil
wird durch ein Rohr 60 gebildet, das mit dem Gaszufuhrrohr 61 verbunden
ist und welches z.B. gemäß einer
Schraube 68 aufgerollt ist, mit dem Gasauslass 64 auf
der gleichen Seite wie sein Einlass in einer Hülle oder einem Behälter 62,
der aus Kunststoff sein kam und dessen Funktion identisch zu derjenigen
des Durits des zuvor beschriebenen Druckminderers ist. Dieser Behälter wird
von der Kühlflüssigkeit 63 des
Motors durchlaufen, welche die Wärmeeinheiten
liefert, die notwendig sind für
die Verdampfung des Flüssiggases
und seine Erwärmung
oder zur Erwärmung
des Erdgases, wenn der Motor mit Erdgas betrieben wird.
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Im
Falle der 7 führt eines der Enden der Schraube 68 oder
Schlange zu einem Tank 66, der an das Ende 67 des
Behälters 62 gegenüberliegend zum
Zufuhrrohr 61 des Gases gesetzt ist, welcher über eine
Flüssigkeitsreserve
verfügt,
die dafür
bestimmt ist, den Kraftstoff, welcher durch den Tank 66 geht,
zu erhitzen.
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Im
Falle der 8 ist das Wärmetauscherrohr 60 gemäß einer
doppelten Schraube aufgerollt, wobei die eine von dem Einlassrohr 61 des
Gases in Richtung zum gegenüberliegenden
Ende 67 des Behälters 62 geht,
und wobei die andere als Rückkehr des
Gases zu seinem Auslass 64 dient, was weiter die Austauschoberfläche erhöht.
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Eine
andere, kompaktere, jedoch komplexere und teurere Lösung ist
in 9a dargestellt in einer Draufsicht und in 9b in
einer Ansicht von links.
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Dieser
Druckminderer 90 ist aus einem Plattenwärmetauscher 91 kombiniert
mit einem Wärmetauscher
mit Rohren gebildet. Das Flüssiggas,
welches in flüssiger
Form durch den Einlass 93 ankommt, also mit einer erhöhten Dichte
im Verhältnis zur
gasförmigen
Phase, benetzt die angenäherten Wände des
Plattenwärmetauschers,
deren zum Gasstrom rechtwinkliger Querschnitt nach und nach mit der
Verdampfung des Flüssiggases
zunimmt. Ein Röhren-Wärmetauscher 92 übernimmt
die Weitergabe am Ende der Verdampfung des Flüssiggases, um es in seine gasförmige Phase
bis zum Auslass 94 aufzuheizen.
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Die
Kühlmittelflüssigkeit
tritt durch das Rohr 95 ein und geht über das Rohr 96 wieder
heraus.
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Einsätze von
unterschiedlichen Eigenschaften können auf Höhe der Platten und der Rohre
eingeführt
werden, um den thermischen Austausch zwischen der Motor-Kühlflüssigkeit
und dem Kraftstoff zu begünstigen.
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In
allen Fällen
können
Kunstgriffe unterschiedlicher Natur in dem Rohr des Druckminderers integriert
werden, um am Einlass die Verdampfung des Gases zu verbessern, wenn
der gasförmige Kraftstoff
in flüssiger
Form ankommt, und derart, um den thermischen Austausch des Gases
mit dem Rohr zu begünstigen,
wenn dieses letztere in Dampfform ist, z.B. durch das Einsetzen
von Einsätzen
vom Typ Flügel,
Erzeugung von Rauheiten, Verformungen des Rohrs etc. ...
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Gleichermaßen kann
ein Sicherheits-Elektroventil 48 stromaufwärts vom
Wärmetauscher 43, vorzugsweise
stromaufwärts
vom Dosierungsbauteil 44 (4) gesetzt
werden. Das Dosierungsbauteil ist vorteilhafterweise auf solch eine
Art und Weise entworfen, dass es geschlossen ist, wenn es nicht
elektrisch versorgt wird, in einer Weise, um in seinen Funktionen
diejenige des Sicherheits-Elektroventils zu integrieren, das man
demnach sparen kann.
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Die 10 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines Druckminderers von Gas, in welchem ein Entleerungsmittel 100 des
Wärmetauscherteils
vorgesehen ist, um die Verschmutzungen, welche durch die Verdampfung
des Flüssiggases
erzeugt werden, während Überprüfungen nach
dem Verkauf des Systems herauszubringen. Diese Entleerung wird auf
Höhe eines
niedrigen Punktes des Wärmetauschers
oder am Auslass 101 von diesem, wenn es möglich ist,
ausgeführt
mittels des Einsetzens eines kleinen Auffangbehälters 102 für Verschmutzungen.
Um effizient zu sein, muss der Druckminderer auf solch eine Art
und Weise ausgerichtet werden, dass die gebildeten Verschmutzungen
von selbst durch Schwerkraft aus dem Wärmetauscher herausgehen.
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In
dem Fall einer Druckregelung auf einen konstanten Wert, z.B. 1,8
Bar, kann man zwischen den Druckminderer und den Dosierer-Verteiler
oder den Einspritzdüsen
einen kleinen Tank 103 mit Aktivkohle oder mit Zeolith
zwischensetzen, der als Wirkung hat, den Auslassdruck des Druckminderers
zu glätten.
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Die
Wirkung, welche mit dem Einsetzen dieses Tanks verbunden ist, ist
es, Gas während
Druckspitzen zu absorbieren und es während Drucktiefen abzugeben,
also letzteres zu glätten.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
verschiedene Regelmodi des Auslassdrucks des Druckminderers. Unter
den verschiedenen, in Betracht ziehbaren Regelmodi bietet die Regelung
des Drucks auf einen Wert proportional zu dem Druck im Einlasskrümmer den
Vorteil, deutlich den Dynamikbedarf des Volumendurchsatzes der Einspritzdüsen oder der
Dosierer-Verteiler zu verringern.
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Tatsächlich,
wenn der Fahrer eine abrupte Beschleunigung vom Typ Fuß am Boden
hervorruft, erhöht
sich die Motordrehzahl nicht abrupt, wohingegen der Druck in dem
Lufteinlasskrümmer
seinen maximalen Wert im Bruchteil einer Sekunde erreicht. Der Luftdurchsatz,
welcher in den Motor eintritt, nimmt folglich schnell in einer ersten
Phase zu, da er um die Größenordnung
1 von dem Druck in dem Krümmer
abhängt,
sodann fährt
er weniger schnell fort, sich in Abhängigkeit der Motordrehzahl
zu erhöhen.
Tatsächlich
ist es wichtig, wenn man es wünscht,
ein konstantes Verhältnis
zwischen dem Gasdurchsatz und dem Luftdurchsatz beizubehalten, um
in Betriebsbedingungen nahe der Stöchiometrie zu verbleiben, über ein
System zu verfügen,
für welches
das Haupt-Bauteil der Dosierung des Kraftstoffs wenig anfällig gegen
eine abrupte Veränderung
des Kollektordrucks ist, da man ansonsten einen Dosierer-Verteiler
mit hoher Dynamik oder Einspritzdüsen mit hoher Dynamik verwenden
muss, die kostenträchtig
und schwierig zu realisieren sind.
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Eine
Regelung des Auslassdrucks des Druckminderers auf einen Schwellenwert
gleich zu λ mal
dem Druck des Einlasskrümmers
macht das Lastenheft des Dosierer-Verteilers weniger streng in dem Fall
eines verteilten Monopunkt-Systems oder dasjenige der Gas-Einspritzdüse in dem
Fall eines gasförmigen
Multipunkt-Systems,
wenn dieser oder diese Einspritzdüsen direkt mit dem Einlasskrümmer verbunden
sind.
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Tatsächlich,
wenn λ ausreichend
erhöht
ist,
wobei λ somit das Verhältnis der
Drücke
stromaufwärts
und stromabwärts
des Stellgliedes des Gases ist, und
wobei γ das Verhältnis der spezifischen Wärmen bei konstantem
Druck und bei konstantem Volumen ist, deren Werte die nachfolgenden
sind:
γ =
1,09 bei reinem Butan, somit ist λ für Butan
= 1,704
γ =
1,128 bei reinem Propan, somit ist λ für Propan = 1,727
γ = 1,31 für Erdgas,
somit ist λ für Erdgas
= 1,838
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Der
Betrieb der Dosierer-Verteiler oder der Einspritzdüsen des
Gases ist im Schallbereich, d.h. dass der Gasdurchsatz durch die
Durchgangsquerschnitte, welche den Durchsatz regeln, bei Schallgeschwindigkeit
erfolgt. In diesem Fall und mit einer gut entwickelten Dosierung
und Verteilung des Gases erhält
matt eine Unanfälligkeit
gegenüber
Druckschwankungen, die stromabwärts
der Dosierung angeordnet sind. Es ist somit möglich, die Null-Druck-Regeleinrichtungen
zu unterdrücken,
was einen Kostengewinn darstellt, aber es ermöglicht ebenso, die Dynamikanforderungen
des Dosierungssystems, Verteilersystems oder der Einspritzdüsen zu reduzieren.
Dieses wird tatsächlich
theoretisch unabhängig
von den Druckveränderungen
des Krümmers,
was bedeutet, dass bei einer abrupten Beschleunigung, vom Typ Fuß am Boden
(bzw. durchgetretenes Gaspedal) zum Beispiel, bei welcher sich der
Krümmerdruck
von seinem minimalen Wert auf seinen maximalen Wert in 0,1 Sekunde ändern kann, es
nicht notwendig ist, die Einspritzzeit oder den Durchgangsquerschnitt
der Gas-Einspritzdüse(n)
zu verändern,
da die Korrektur der Durchsatzmenge von Gas somit durch eine Erhöhung des
Drucks stromaufwärts
erfolgt und somit der Volumenmenge stromaufwärts der Einspritzdüse oder
am Auslass des Druckminderers. Lediglich die Korrektur der Einspritzzeit
ist im Hinblick auf die Erhöhung
der Motordrehzahl notwendig.
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Der
Luftdurchsatz Qair eines Motors drückt sich in erster Ordnung
in Abhängigkeit
der Drehzahl N des Motors und des Drucks Pcoll in dem Luft-Einlasskrümmer durch
die Formel (E1) aus: Qair = k × Pcoll × N (E1)wobei
k ein Parameter ist, der in erster Ordnung konstant ist.
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Für einen
stöchiometrischen
Betrieb des Motors ist der Gasdurchsatz QG.P.L. proportional zum Luftdurchsatz
und drückt
sich durch die Formel (E2) aus: QGPL = k' × Pcoll × N (E2)wobei
k' ein Parameter
ist, der in erster Ordnung konstant ist.
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Der
Gasdurchsatz QG.P.L. durch einen Durchgangsquerschnitt S drückt sich
durch die Formel (E3) aus: QGPL = ρ × S × V (E3)wobei
S der wirksame Querschnitt niedriger zum geometrischen Querschnitt
ist;
ρ die
Volumenmenge des Gases an der Stelle des wirksamen Querschnitts
ist;
V die Gasgeschwindigkeit unabhängig von dem Druck im Schallbereich
ist.
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Der
Gasdurchsatz wird durch die mehr oder weniger starke Öffnung des
Durchgangsquerschnitts S oder die mehr oder weniger verlängerte bei
gepulster Strömung
gesteuert. Die Berechnung des wirksamen Querschnitts S erhält man leicht
ausgehend von den zwei letzteren Gleichungen durch die Formel (E4):
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Man
stellt fest, dass die beste Art und Weise, einen Dosierer-Verteiler
oder die Gas-Einspritzdüsen wenig
anfällig
auf eine abrupte Veränderung
des Kollektordrucks zu machen, ist, im Schall-Durchsatz zu arbeiten,
wobei die Gasgeschwindigkeit somit unabhängig vom Druck ist, und den
Druck stromaufwärts von
diesem auf einen Wert proportional zu dem Kollektordruck zu steuern.
Tatsächlich
vereinfacht sich der vorherige Ausdruck, wenn Pgaz_amont = λ × Pcoll
ist, um (E5) zu ergeben: S = k''' × N (E5)wobei
k''' bei der Größenordnung 1 gegenüber dem Kollektordruck
konstant ist.
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Diese
Art einer Regelung ermöglicht
somit, einen Teil der Schwierigkeit, die man antrifft, wenn man
einen Dosierer-Verteiler oder Einspritzdüsen von Gas entwirft, auf den
Druckmindererteil zu verschieben. Es ist tatsächlich schwierig, in industrieller Art
und Weise Betätigungsgeräte zu realisieren,
welche gleichzeitig über
einen großen
Durchsatzbereich präzise
und schnell sind. Die Präzision
wird auf Höhe der
Dosierung des Gases aufrechterhalten, aber die Schnelligkeit wird
teilweise durch den Druckminderer unterstützt. Eine derartige Regelung
kann nicht einfach durch einen mechanischen Druckminderer ausgeführt werden
und erfordert somit eine elektronische Regelung des Drucks.
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Diese
Unempfindlichkeit gegenüber
Veränderungen
des Kollektordrucks ist umso beträchtlicher, wenn man mit einem
aufgeladenen Motor arbeitet. Die Dynamik des Dosierer-Verteilers
im Falle eines verteilten Monopunkt-Systems oder diejenige der Gaseinspritzdüsen in dem
Fall eines gasförmigen Mehrfachpunkt-Systems muss nicht
im Verhältnis
zu derjenigen von gleichen Einspritzdüsen verändert werden, welche auf dem
gleichen Motor verwendet werden, der unter Atmosphärendruck
arbeitet. Dies wäre
nicht der Fall, wenn man den Auslassdruck des Druckminderers auf
einen festen Wert regeln würde.
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Außer dem
Interesse im Hinblick auf die Dynamik der Gas-Einspritzdüse(n) weist
die elektronische Druckregelung für einen Gas-Druckminderer die
nachfolgenden Vorteile auf:
- – bessere
Funktion der Einspritzdüse(n)
bei geringer Last aufgrund eines Druckunterschieds beiderseits des
Dosierungsmittels (Verringerung um einen Faktor 4 der notwendigen
Energie, um ein Gas-Dosierungsventil, bei Verzögerung zum Beispiel, anzuheben);
- – eine
bessere Korrekturempfindlichkeit gegenüber einem Wechsel der Gaszusammensetzung;
- – eine
bessere Auflösung
des Durchsatzes bei gleichen Einspritzdüsen oder bei gleichen Dosierer-Verteilern
vor allem bei geringer Last, wo sie 4fach höher sein kann als wenn der
Auslassdruck des Druckminderers auf konstant 1,9 Bar geregelt wird.
-
Diese
Art der Regelung ist keineswegs beschränkend. Eine Steuerung des Drucks
mit allen den Freiheitsgraden, welche durch eine elektronische Regelung
erlaubt werden, ist möglich.
-
Der
Druckminderer mit elektronischer Druckregelung gemäß der Erfindung
weist die nachfolgenden Vorteile auf:
- – Minimierung
von Verzögerungen
durch vorausschauende Berechnungen des Gasdurchsatzes, der in den
Druckminderer einzubringen ist;
- – Minimierung
der Hysterese durch das gleiche Prinzip;
- – Minimierung
des Einflusses von verbleibenden Verzögerungen und Hysterese-Phänomenen durch
vorausschauende Berechnung des Drucks und der Temperatur am Auslass
des Druckminderers und passende Korrektur auf Höhe der Durchsatzsteuerung des
Dosierer-Verteilers oder der Einspritzdüsen;
- – Unterdrückung der
Anfälligkeit
der Druckminderer gegenüber
direkten Unterbrechnungen bei der Verzögerung durch Vermeidung von
Regelungstechnologien mit Membranen;
- – sehr
deutliche Reduzierung von Streuungen zwischen den Druckminderern
und Alterungserscheinungen durch eine elektronische Regelung des
Drucks;
- – deutliche
Reduzierung des Raumbedarfs des Druckminderers und erleichtertes
Einsetzen des Wärmetauschers;
- – reduzierte
Kosten durch Benutzung von anderswo in großen Serien bestehenden Komponenten.
