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Kraftstoffzufuhr-Regelvorrichtung für Gasmotoren Die Erfindung bezieht
sich auf eine Kraftstoffzufuhr-Regelvorrichtung für Motoren, die mit gasförmigem
Kraftstoff arbeiten, und insbesondere auf eine Regelvorrichtung, bei welcher miteinander
verbundene Membranen Differentialdrücken von Kraftstoff und Luft, die durch die
Einschaltung einer Verengung in die Kraftstoff- oder Luftleitung erzeugt werden,
ausgesetzt sind und wodurch die Bewegung der Membranen ein Kraftstoffregelglied
oder ein Kraftstoffregelventil beeinflußt.
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Für flüssige Kraftstoffe sind Regelgeräte dieser Bauart bereits bekannt,
so unter anderem aus der britischen Patentschrift 587 093, gemäß welcher
zwei miteinander verbundene Membranen vorgesehen werden, die den Differentialdrücken
von Kraftstoff und Luft ausgesetzt sind.
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Bei derartigen Regelvorrichtungen sind die Drücke von Kraftstoff und
Luft, die man auf die Membranen wirken läßt, diejenigen Drücke, die vor und innerhalb
oder hinter einer Verengung, die sowohl in der Kraftstoffzuführungsleitung als auch
in der Luftzuführungsleitung vorgesehen ist, herrschen.
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Gegenstand der Erfindung ist es, das Gewichtsverhältnis zwischen Luft
und Gas in dem Gas-Luft-Gemisch, das dem Motor zugeführt wird, auf einem im wesentlichen
konstanten oder wenn erwünscht auf einem einstellbaren Wert zu halten. Dies bedeutet,
daß, wenn das richtige Gas-Luft-Verhältnis für eine
bestimmte Motorenbelastung
festgelegt ist, dieses Verhältnis bei allen anderen Motorenbelastungen aufrechterhalten
werden wird.
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Gemäß der Erfindung umfaßt die Kraftstoffzufuhr-Regelvorrichtung Gas-
und Luftleitungen, die sich am Einlaß des Motors vereinigen, so daß an der Vereinigungsstelle
in beiden Leitungen der gleiche Druck herrscht, eine Luftstrom-Regelvorrichtung
in der Luftleitung, eine Gasstrom-Regelvorrichtung in der Gasleitung, eine Verengung
in jeder Leitung zwischen der Strömungsregelvorrichtung und der Vereinigungsstelle
der Leitungen, wobei die Verengung so gestaltet ist, daß sie einen Differentialdruck
erzeugt, wenn in der betreffenden Leitung eine Strömung vorhanden ist, und
eine Gruppe von miteinander verbundenen Membranen, die den erwähnten Differentialdrücken
ausgesetzt sind, wobei die Bewegung der Gruppe von Membranen die Gasstrom-Regelvorrichtung
in der Weise steuert, daß die erwähnten Differentialdrücke in einem vorbestimmten
Verhältnis gehalten werden, und zwar ohne Rücksicht auf Änderungen in der Regelstellung
der Luftstrom-Regelvorrichtung.
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Die Grundlage der Erfindung wird von nachstehend erläutertem Prinzip
gebildet: Läßt man ein Gas durch ein Rohr mit einer Querschnittsverengung strömen,
beispielsweise durch ein Venturirohr, so ist der Unterschied zwischen dem Gasdruck
vor der Verengung und dem Gasdruck innerhalb der Verengung proportional der Dichte
und dem Quadrat der Geschwindigkeit des durchströmenden Gases, das heißt entsprechend
der Formel P/-P"-c.y.v2. (i) Hierin ist p' Druck des Gases vor dem Venturirohr,
p" Druck des Gases innerhalb des Venturirohrs, c eine Proportionalitätskonstante,
y Dichte des Gases und v Gasgeschwindigkeit.
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Das Gewicht des Gases, das das Rohr in der Zeiteinheit durchströmt,
ist der Dichte und der Strömungsgeschwindigkeit des Gases proportional- G=
C'.v.o.Y. (2)
Hierin ist G Gasgewicht je Zeiteinheit, v Gasgeschwindigkeit,
o Querschnittsfläche des Rohrs, durch das das Gas strömt, y Dichte des Gases und
c' eine Proportionalitätskonstante.
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Durch Eliminieren der Gasgeschwindigkeit v aus den beiden Gleichungen
erhält man das Gasgewicht als Funktion des Druckunterschiedes im Venturirohr, des
örtlichen Durchtrittsquerschnitts und der örtlichen Dichte des Gases wie folgt:
Da die Dichte des Gases dem Gasdruck an dem betrachteten Punkt direkt proportional
ist, kann man die Formel wie folgt schreiben, wenn man die konstanten Ausdrücke
in einen konstanten Proportionalitätsfaktor C zusammenfaßt:
Gemäß dem Obenstehenden kann das Verhältnis K des Gewichtes G1 an Luft zu dem Gewicht
G, an gasförmigem Kraftstoff wie folgt ausgedrückt werden
Hierin ist C eine Konstante, der Index i bezieht sich auf die Luft und der
Index g auf das Gas.
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Wenn es erwünscht ist, zwischen den dem Motor in der Zeiteinheit zugeführten
Mengen an Gas und Luft ein konstantes Verhältnis herzustellen, kann dies dadurch
geschehen, daß man dafür sorgt, daß das Verhältnis der Druckdifferenzen von Gas
und Luft entlang den Verengungen, das heißt
konstant gehalten wird und daß gleichzeitig das Verhältnis der Drücke, das heißt
konstant, zum Beispiel gleich i gehalten wird. Die Drücke in den beiden Leitungen
werden daher an entsprechenden Punkten im wesentlichen gleich sein müssen. An der
am Einlaß des Motors gelegenen Vereinigungsstelle der Gas- und Luftleitungen sind
diese Drücke notwendigerweise gleich, und wenn sowohl die Gasleitung als auch die
Luftleitung genügend weit ist, wird auch derselbe gleiche Druck auf den in Strömungsrichtung
betrachtet hinter den Verengungen liegenden Seiten herrschen. Da die Druckdifferenzen
entlang den Verengungen in der Luftleitung und in der Gasleitung ebenfalls gleich
gehalten werden, werden die Drücke von Luft und Gas in den vor den Verengungen liegenden
Leitungen daher ebenfalls an entsprechenden Stellen gleich sein.
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Aus Formel (5) wird auch klar, daß sich die Einstellung des Luft-Gas-Verhältnisses
ausschließlich nach dem Verhältnis der Ouerschnittsflächen der beiden Verengungen,
das heißt nach dem Quotienten richtet.
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Wenn man daher eine der beiden Verengungen,
beispielsweise die für das Gas, veränderlich macht, kann man den Motor auf ein vorbestimmtes
Gewichtsverhältnis von Luft zu Gas einstellen.
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Ein Unterschied zwischen flüssigem und gasförmigem Kraftstoff besteht
darin, daß flüssiger Kraftstoff eine konstante oder nahezu konstante Dichte aufweist,
während dies bei gasförmigem Kraftstoff nicht der Fall ist. Infolgedessen könnte
der Gasgehalt des Gemisches bei Verwendung eines gasförmigen Kraftstoffs bei verschiedenen
Gasdrücken schwanken, und zwar auf Grund der Tatsache, daß sich die Dichte des Gases
auch nach seinem Druck richtet, so daß eine besondere Anordnung der verschiedenen
Teile der Regelvorrichtung erforderlich wird.
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Somit besteht ein kennzeichnendes Merkmal der Erfindung darin, daß
die Punkte, an denen der
Differentialdruck in der Luftleitung mit
der zugehörigen Verengung abgenommen wird, in Strömungsrichtung hinter der Drossel
liegen, wo der Druck von der Stellung dieser Drossel abhängt.
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Wenn man andererseits flüssigen Kraftstoff verwendet, ist es wichtig,
daß die Verengung, die den Differentialdruck im Luftstrom erzeugt, vor der Drossel
liegt, denn da die Dichte des flüssigen Kraftstoffs nahezu konstant ist, ist es
erforderlich, in der Luftleitung einen Punkt zu wählen, an dem ein konstanter Druck
herrscht, so daß man ein konstantes Dichteverhältnis erzielt.
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In bezug auf die Anordnung des Gasventils und der Verengung oder Drossel
für das Gas im Verhältnis zueinander ist festzustellen, daß man angesichts der Dichteänderung
des Gases beim Durchströmen des Gasventils auch hier eine andere Anordnung wählen
muß. Ein weiteres kennzeichnendes Merkmal der Regelvorrichtung gemäß der Erfindung
besteht somit darin, daß die Verengung für das Gas hinter dem Gasregelventil liegt,
also dort, wo angesichts der Gleichheit der Drücke an der Vereinigungsstelle der
beiden Leitungen der Gasdruck dem Luftdruck an der Verengung der Luftleitung nahezu
gleich ist.
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Bei flüssigem Kraftstoff ist dieser letzte Punkt ohne Bedeutung, denn
da die Flüssigkeitsdichte konstant und vom Druck unabhängig ist, ist es bedeutungslos,
ob die Verengung vor oder hinter dem Regelventil angebracht wird.
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Die Erfindung wird nunmehr im folgenden an Hand einer schematischen
Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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In der Zeichnung bezeichnet die Zahl i die Luftzuführungsleitung,
die mit einer Drosselklappe 2, wenn gewünscht auch mit einem Lader 3, und mit einer
Verengung, beispielsweise einem Venturirohr q., versehen ist und die in die Ansaugleitung
5 mündet. Die Gaszuführungsleitung 6 ist mit einem an einem Hebel befestigten Gasventil
7 und einer Verengung oder Drossel 8 versehen und endet in dem Verteilerrohr g.
Der Meßkasten io, der aus zwei Abteilungen besteht, enthält die mittels der Kupplungsstange
ii miteinander verbundenen Membranen 12 und 13, wobei in jeder Abteilung eine der
Membranen untergebracht ist, wodurch der Meßkasten in vier Kammern unterteilt wird.
Der in der Luftleitung durch das Venturirohr erzeugte Differentialdruck wird mittels
der Leitungen 14 und 15 auf die Gruppe von Membranen übertragen, wobei diese Leitungen
zur obersten beziehungsweise zur untersten Kammer des Meßkastens führen. Der in
der Gasleitung durch die Verengung erzeugte Differentialdruck wird ebenfalls auf
die Membranen übertragen, und zwar durch die Leitung 16, die zu einer der beiden
inneren Kammern führt, und durch eine direkte Verbindung, die zu der anderen inneren
Kammer des Meßkastens führt. Der Hebel 17 verbindet die Stange ii mit dem Ventil
7, so daß eine Bewegung der Stange das Ventil 7 öffnet oder schließt.
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Das Ventil 7 ist mit der Stange ii derart verbunden, daß das Ventil,
wenn die auf die Membranen wirkenden Differentialdrücke von Gas und Luft gleich
sind, eine Stellung einnimmt, bei welcher die gelieferte Gasmenge und die zugeführte
Luftmenge in dem gewünschten konstanten Verhältnis zueinander stehen.
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Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Nimmt man an, daß sich das System
unter gewissen Bedingungen im Gleichgewicht befindet, wird die richtige Einstellung
der Gasdrossel 8 Gewähr dafür geben, daß der Motor das richtige Luft-Gas-Verhältnis
für eine bestimmte Belastung hat. Wird die Stellung des Ventils --
etwas geändert,
um die Belastung zu verändern, beispielsweise dadurch, daß man es etwas schließt,
wird sich die Druckdifferenz der Luft infolge der veränderten Strömungsgeschwindigkeit
der Luft in der Luftleitung etwas verringern, und auf diese Weise werden die Membranen
nach unten bewegt, so daß das Ventil 7 teilweise geschlossen wird. Aus diesem Grunde
wird die Druckdifferenz in der Gasleitung über die Drossel 8 infolge der sich verringernden
Strömungsgeschwindigkeit des Gases etwas abfallen und dadurch eine Aufwärtsbewegung
der Membranen verursachen. Auf diese Weise wird sich ein neuer Gleichgewichtszustand
einstellen, wodurch die Druckdifferenzen von Luft und Gas auf den gleichen Wert
gebracht werden, so daß auch das Luft-Gas-Verhältnis wieder den verlangten konstanten
Wert hat.
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Da das Ventil 7 mittels einer damit verbundenen Membran sowohl gegenüber
dem davor als auch gegenüber dem dahinter herrschenden Druck im Gleichgewicht gehalten
wird, wird weder eine Änderung des Gasdruckes in der Leitung 6 noch eine Änderung
der Stellung des Drosselgliedes 8 einen störenden Einfluß auf die Stellung des erwähnten
Ventils, wie sie durch die auf die Gruppe von Membranen wirkenden Differentialdrücke
bestimmt wird, haben. Infolgedessen wird in der Gaszuführungsleitung 6 kein Druckregler
benötigt.
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Die oben beschriebene Ausführung dient lediglich zur Erläuterung der
Erfindung, deren Anwendung nicht ausschließlich auf die Bauteile der beschriebenen
Konstruktion beschränkt ist.