DE3149839A1 - Ausregel-vorrichtung fuer einen aufgeladenen gasmotor - Google Patents

Ausregel-vorrichtung fuer einen aufgeladenen gasmotor

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Description

3U9839
PATENTANWALT DlPL^INGORrMANFRED RAU
J.
D-8500 Nürnberg 9i Postfach ?io48o lange zeile 30 telefon 0911 /37147 telex ο«/23965
VNR 1o6984 Nürnberg, 15.12.1981
R/St
Motoren-Werke Mannheim Aktiengesellschaft vorm. Benz Abt. stationärer Motorenbau, Carl-Benz-Straße 5,
6800 Mannheim 1
Ausregel-Vorrichtung für einen aufgeladenen Gasmotor
Die Erfindung betrifft eine Ausregel-Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Gasmotoren, die einerseits mit im wesentlichen konstanter Drehzahl, andererseits aber mit wechselnden Lasten laufen, beispielsweise also zum Antrieb von Generatoren eingesetzte Gasmotoren, erhalten ein Gas-Luft-Gemisch zugeführt, das in einem sogenannten Carburator-Mischventil unmittelbar hinter dem Ladeluftverdichter bzw. dem diesem nachgeordneten Ladeluftkühler gemischt wird. Das Gas wird diesem Mischventil über ein Gasdruck-Regelventil zugeführt, das den Gasdruck so steuert, daß die Differenz zwischen Gasdruck und Ladedruck der verdichteten Ladeluft jeweils vor dem Mischventil konstant ist. Dies führt dazu, daß bei plötzlichen Lasterhöhungen ein Ausregeln auf die Solldrehzahl sehr lange dauert, da der Ladedruck der verdichteten Luft hinter dem Ladeluftverdichter erst entsprechend dem Anstieg der tatsächlich vom Motor abgegebenen Leistung ansteigt. Die Folge ist, daß derartige Ausregelvorgänge außerordentlich lange, und zwar bis über 3o Sekunden dauern". Gleichartige Probleme treten beim Starten auf. Ähnliche - wenn auch nicht derartig
gravierende - Schwierigkeiten treten auf, wenn die Last plötzlich abgesenkt wird. In diesem Fall läuft der Ladeluftverdichter noch mit entsprechend hoher Leistung weiter und liefert weiterhin einen hohen Ladedruck mit der Folge, daß auch der Gasdruck im Regelventil nicht im gewünschten Maße abgesenkt wird. Dadurch tritt ein nicht zulässiges Pumpen des Ladeluftverdichters auf, weil die Drosselklappe sofort schließt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ausregel-Vorrichtung der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß die Ausregelzeiten bei plötzlichen Laständerungen stark verkürzt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Durch die Maßnahmen nach Anspruch 1 kann erreicht werden, daß bei einer plötzlichen Lasterhöhung eine überproportionale Erhöhung des Gasdruckes und damit auch der Gaszufuhr mit der Folge einer entsprechend starken Beschleunigung des Motors erfolgt. Hierbei liegt funktionell der Effekt einer Beschleunigerpumpe vor. Versuche haben gezeigt, daß die Ausregelzeiten bei plötzlichen starken Lasterhöhungen von über 3o auf etwa 5 Sekunden gesenkt werden können. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann weiterhin so wirken, daß bei plötzlichen LaStabsenkungen die Gaszufuhr stark reduziert wird mit der Folge, daß ein Pumpen des Ladeluftverdichters unterbunden wird. Gleichzeitig tritt hierdurch auch .eine starke Verkürzung der Ausregelzeit ein.
Anspruch 2 gibt das konkrete Lösungsprinzip an, nach dem die erfindungsgemäße Einrichtung bei plötzlichen Lasterhöhungen arbeitet.
Alternativ aber-auch kumulativ können die konkreten Maßnahmen nach Anspruch 3 vorgesehen sein, die bei plötz-
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lichen Lastabsenkungen zu einer überproportionalen Absenkung der Gaszufuhr führen.
Anspruch 4 gibt an, wie die Einrichtung zur Änderung der Kräfte in die Regelung des Motors integriert ist.
Anspruch 5 gibt eine besonders einfache konstruktive Lösung für die Einrichtung an, wobei Anspruch 6 eine konstruktive Lösung angibt, wie die Vorspannung der Sollwertfeder bei Laständerungen und insbesondere bei plötzlichen starken Lasterhöhungen verändert werden kann. Die gattungsgemäß vorhandene Möglichkeit zur Einstellung einer Grund-Vorspannung der Sollwertfeder wird hierdurch nicht berührt.
Durch die Maßnahmen nach Anspruch 7 und 8 wird angegeben, wie durch Druckentlastung am Stellglied die entsprechende Kräfteänderung herbeigeführt werden kann, wobei diese Lösung besonders vorteilhaft einsetzbar ist für ein Schließen des Stellgliedes bei plötzlichen Lastabsenkungen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigt
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Gasmotor mit Generator und - vergrößert herausgezogen ein Gasdruck-Regelventil und ein nachgeordr netes Mischventil und
Fig. 2 ein die Soll-Abhängigkeit von Last und Ladedruck darstellendes Diagramm.
Ο I H
-ζ
Ein aufgeladener Gasmotor 1 ist drehfest mit einem Generator 2 gekuppelt, den er mit konstanter Drehzahl' antreibt. Einem Ladeluftverdichter 3 ist ein sogenanntes Carburator-Mischventil 4 üblicher Bauart nachgeordnet, in dem die im Ladeluftverdichter 3 verdichtete Luft mit Verbrennungsgas gemischt wird. Dieses Gas wird von einer beliebigen Gasquelle 5 durch ein Gasdruck-Regelventil 6 dem Mischventil 4 zugeführt. Obwohl das Mischventil 4 unmittelbar am Gasmotor 1 zwischen dem Ladeluftverdichter 3 bzw. einem diesem unmittelbar nachgeordneten Ladeluftkühler 7 einerseits und einer Ansaugsammelleitung (Receiver) 8 angeordnet ist, ist das Mischventil 4 in Fig. 1 herausgezeichnet und die geschilderte Verbindung durch Luftströmungspfeile 9 und Gas-Luft-Gemischströmungspfeile 1o dargestellt. Der Gasfluß ist durch Gas-Strömungspfeile 11 von der Gasquelle 5 durch das Regelventil 6 zum Mischventil 4 dargestellt.
Das Regelventil 6 weist ein Stellgliedgehäuse 12 mit einem Einlaß und einem Auslaß für das Gas auf. Weiterhin ist in dem Stellgliedgehäuse 12 ein mit einer verschiebbaren Ventilstange 13 verbundenes, als Ventilteller ausgebildetes Stellglied 14 angeordnet, mittels dessen der Druck des durch das Stellgliedgehäuse12 fließenden Gases gesteuert wird.
Auf dem Stellgliedgehäuse 12 ist ein Stellantrieb 15 zum Antrieb der Ventilstange 13 und damit des Stellgliedes 14 angeordnet. Dieser weist in einem Membrangehäuse 16 eine rundum eingespannte Meßmembran 17 auf ,die quer zur Ventilstange 13 verläuft und mittig fest mit dieser verbunden ist, so daß Auslenkungen der Meßmembran 17 zu entsprechenden Verschiebungen der Ventilstange 13 führen. Auf der dem Stellglied 14 zugewandten Seite ist die Meßmembran 17 mit einer Unterdruck-Sollwertfeder 18 belastet. Auf
-y- λ
der gleichen Seite ist das Meßmembrangehäuse 16 an eine Gasleitung 19 zwischen Regelventil 6 und Mischventil 4 angeschlossen, d. h. dieser Teilraum 16a des Membrangehäuses 16 wird mit dem Gasdruck p,, hinter dem Regelventil 6 bzw. vor dem Mischventil 4 beaufschlagt.
Der Teilraum 16b auf der anderen Seite der Meßmembran 17 wird mit der verdichteten Ladeluft vor dem Mischventil 4, also mit dem Ladedruck pL beaufschlagt.
Von dieser Seite, also entgegengesetzt zur Unterdruck-Sollwertfeder 18 ist die Meßmembran 17 mit einer Überdruck-Sollwertfeder 2o beaufschlagt, deren Vorspannung veränderbar ist. Sie ist in einem Führungsrohr 21 angeordnet, das mit dem Membrangehäuse 16 verbunden ist. Insoweit als das Regelventil 6 bis hierher beschrieben ist, ist es bekannt und handelsüblich.
Im Führungsrohr 21 ist ein Anschlagteller 22 verschiebbar geführt, gegen den die Sollwertfeder 2o anliegt. Auf der der Sollwertfeder 2o abgewandten Seite ist der Anschlagteller 22 mit der Kolbenstange 23 eines druckmittelbeaufschlagbaren Hubantriebs 24 verbunden. Der Anschlagteller 22 liegt auf seiner der Sollwertfeder 2o abgewandten Seite gegen eine im Führungsrohr 21 mittels eines Gewindes 25 verstellbare Stellschraube 26 an, mittels derer die Grundvorspannung der Sollwertfeder 2o einstellbar ist. Das zylindrische Gehäuse 2 7 des Hubantriebs 24 ist - gegebenenfalls frei drehbar - mit der Stellschraube 26 verbunden und gegebenenfalls gegenüber dieser in axialer Richtung einstellbar. Der druckmittelbeaufschlagbare Hubantrieb 24 ist einfachwirkend; d. h. bei Beaufschlagung mit einem Druckmittel wird die Kolbenstange 23 um einen vorgegebenen Betrag aus' dem Gehäuse 27 ausgefahren und verschiebt damit den Anschlagteller 22 entsprechend unter gleichzeitiger Erhöhung der Vorspannung der Sollwertfeder
U vJ y/
2o. Bei Druckentlastung wird die Kolbenstange 23 von der Sollwertfeder 2o über den Anschlagteller 22 zurück ins Gehäuse 2 7 geschoben.
Das Mischventil 4 weist ein Mischergehäuse 28 auf, das einerseits einen Lufteintritt 29 und andererseits einen Gaseintritt 3o aufweist. Die durch den Lufteintritt 29 eintretende Luft strömt entsprechend den Strömungspfeilen 9 in einen Mischraum 31. Dem Gaseintritt 3o ist ein Gas-Dosierkegel 32 nachgeordnet, der durch den Gasdruck von seinem Sitz abgehoben wird, so daß das Gas ebenfalls in den Mischraum 31 strömen kann, wo es mit der verdichteten Ladeluft gemischt wird. Von dort strömt es über eine Drosselklappe 33 in die Ansaug-Sammelleitung 8. Der Dosierkegel 32 ist mit einer Regel-Membran 34 verbunden und ist außerdem mittels einer Druckfeder 35 belastet. Die Re ge !membran .34 ist in Schließrichtung des Dosierkegels 32 über eine Bohrung 36 mit dem Druck p„ im Mischraum 31 belastet. In der entgegengesetzten Richtung, also in Öffnungsrichtung des Dosierkegels 32 ist die Regelmembran 34 mit dem Ladedruck ρ belastet. Das Mischventil 4 ist ebenfalls bekannt und handelsüblich.
Die Drosselklappe 33 wird von der Regelstange 37 eines Drehzahlreglers 38 je nach Last zwischen einer - ausgezogen dargestellten, also weitgehend geöffneten - Vollaststellung und einer - gestrichelt dargestellten, also geschlossenen Nullaststellung verschwenkt.
Die Funktion ist unter Außerachtlassung des Hubantriebs 24 wie folgt, wobei gleichzeitig auf das Diagramm nach Fig. 2 Bezug genommen wird:
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Da die Meßmembran 17 des Regelventils 6 einerseits mit dem Ladedruck pT und andererseits mit dem Gasdruck pG
- jeweils vor dem Mischventil 4 - beaufschlagt wird, ist
- bei stationärer Last am Generator 2 - die Differenz von Ladedruck ρ einerseits und Gasdruck pG andererseits vor dem Mischventil 4 bei allen Lastzuständen konstant, wobei die Größe dieser Differenz durch die Grundvorspannung der Sollwertfeder 2o vorgegeben wird. Der die Regelmembran 34 einerseits beaufschlagende Ladedruck pL und der den Dosierkegel 32 beaufschlagende Gasdruck pG halten dem die Regelmembran 34 von der anderen Seite beaufschlagenden Mischraumdruck ρ und der Druckfeder 35 das Gleichgewicht.
Wenn jetzt der Gasmotor 1 plötzlich entlastet wird, dann wird die Drosselklappe 33 vom Drehzahlregler 38 über die Regelstange 37 geschlossen mit der Folge, daß der Mischraumdruck pM ansteigt. Dies führt dazu, daß der Dosierkegel 32 von der Regelmembran 34 geschlossen wird. Die Energiezufuhr zum Gasmotor 1 fällt also ab. Nach dem Ausregelvorgang stellt sich entsprechend der niedrigeren Leistung ein niedrigerer Ladedruck pT und entsprechend ein niedrigerer Gasdruck pG ein.
Wenn jetzt plötzlich Last auf den Generator 2 aufgeschaltet wird und damit die vom Motor 1 geforderte Leistung steigt, dann fällt die Motordrehzahl mit der Folge ab, daß die Drosselklappe 33 über die Regelstange 37 des Drehzahlreglers 38 geöffnet wird. Die Beschleunigung des Motors 1 ist aber nur sehr gering, da der Gasdruck pr nur in dem Maße ansteigt, wie der Ladedruck pT zunimmt. Dieser nimmt aber nur entsprechend der tatsächlich vom Motor 1 erbrachten Leistung zu. Um die hierdurch bedingte sehr lange Ausregelzeit von 3o Sekunden und mehr zu verkürzen, wird durch Druckmittelbeaufschla-
gung des Hubantriebs 24 dessen Kolbenstange 23 mit dem Anschlagteller 22 in Richtung auf die Meßmembran 17 mit der Folge verstellt, daß die Vorspannung der Sollwertfeder 2o zunimmt, d. h. die vorgegebene Druckdifferenz zwischen Gasdruck pG und Ladedruck p_ wird erhöht mit der Folge, daß die Gaszufuhr zum Gasmotor 1 während der Beschleunigungszeit drastisch erhöht wird. Die Funktion ist also ähnlich wie bei einer Beschleunigungspumpe.
Die Druckmittelbeaufschlagung des Hubantriebes 24 erfolgt über ein Magnetventil 39 und eine entsprechende Druckmittelleitung 4o. Das Magnetventil 39 wird von einem
Regelgerät 41 angesteuert, auf dessen einen Eingang 42 der Ladedruck pT hinter dem Ladeluftverdichter 3 als entsprechendes elektrisches Signal aufgegeben wird. Auf einen zweiten Eingang 43 des Regelgerätes 41 wird ein die Ist-Last des Generators repräsentierendes Signal aufgegeben, das entweder aus der Stellung der Regelstange 37 oder aus der Belastung des Generators 2 abgeleitet wird. Im Regelgerät 41 ist als Sollwert die in Fig. 2 dargestellte Abhängigkeit von Last und Ladedruck ρ vorgegeben. Außerdem ist ein - in Fig. 2 schraffiert dargestelltes - Toleranzfeld von beispielsweise — 1o% vorgegeben, um nur eine Ansteuerung des Magnetventils und damit eine Änderung der Differenz von Gasdruck pG und Ladedruck ρ vorzunehmen, wenn größere Abweichungen der Ist-Last von der einem bestimmten Ladedruck pT entsprechenden Soll-Last auftreten.
Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform führt nur dazu, daß der geschilderte Effekt bei Erhöhung der Ist-Last während des Betriebes und gleichermaßen selbstverständlich auch beim Starten, auftritt. Bei plötzlichen Lastsenkungen liefert der Ladeluftverdichter 3 aber noch - für die verringerten Lastanforderungen - zuviel Ladeluft mit der Folge, daß aufgrund der geschilderten Wir-
- Al*
kungsweise des Regelventils 6 weiterhin zuviel Gas dem Motor zugeführt wird. Wenn hierfür vorgesehen wird, die Vorspannung der Sollwertfeder 2o unter ihre Grundvorspannung abzusenken, dann kann in einem solchen Fall die Gaszufuhr für den Ausregelvorgang überproportional abgesenkt werden, so daß ebenfalls auch bei Lastsenkungen eine außerordentlich starke Verkürzung der Ausregelzeit eintritt. Außerdem wird ein Pumpen des Ladeluftverdichters 3 unterbunden. Eine solche Maßnahme könnte beispielsweise durch eine zweite entgegengesetzt wirkende, mit dem Gehäuse 27 gekoppelte zweite Hubeinrichtung erreicht werden. Entsprechend müßten zwei Ausgänge des Regelgeräts 41 vorgesehen werden.
Als vorteilhafter hat sich aber erwiesen, dem Teilraum 16b den Ladedruck pL über ein Magnetventil 44 zuzuführen, das in seiner Normalstellung - wie oben geschildert dem Teilraum 16b den Ladedruck pL am Ausgang des Ladeluftverdichters 3 bzw. des Ladeluftkühlers 7 zuführt. Dieses Magnetventil 44 kann in der Weise umgeschaltet werden, daß einerseits der Ladedruck vom Ladeluftverdichter 3 her abgeschaltet wird und gleichzeitig der Teilraum 16b entlüftet wird. Eine solche Umsteuerung erfolgt von einem entsprechenden Ausgang 45 des Regelgerätes 41 her. Der Effekt ist der gleiche, als wenn die Vorspannung der Sollwertfeder 2o abgesenkt würde, d. h. das Stellglied 14 wird überproportional geschlossen mit der Folge, daß der Gasdruck überproportional abgesenkt wird.·
Umgekehrt könnte ein vergleichbares Ventil dem Teilraum 16a mit der Folge vorgeschaltet werden, daß dieser vom Gasdruck pG getrennt und (teilweise) entlüftet würde. In einem solchen Fall wäre die Maßnahme zur Erhöhung der Vorspannung der Sollwertfeder 2o nicht notwendig. In
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diesem Fall wäre der Ausgang 46 des Regelgerätes 41, der in Fig. 1 auf das Magnetventil 39 geschaltet ist, auf dieses nicht dargestellte Magnetventil zu schalten.
• 43' Leerseite

Claims (8)

  1. PATENTANVVÄLT'WPWNlaDRLMANFRED RAU
    D-8500 NORNBERG 91 POSTFACH 91 04 80 LANGE ZEILE 30 TELEFON 09 11 /371 47 TELEX 06/23965
    VNR 1o6984 Nürnberg, 15.12.1981
    R/ St
    Motoren-Werke Mannheim Aktiengesellschaft vorm. Benz Abt. stationärer Motorenbau, Carl-Benz-Straße' 5,
    6800 Mannheim 1
    Ansprüche
    M.)Ausregel-Vorrichtung für einen mit konstanter Drehzahl laufenden aufgeladenen Gasmotor, mit einem über die Motorabgase betriebenen Ladeluftverdichter und mit einem diesem nachgeordneten, der Drosselklappe vorgeordneten Carburator-Mischventil, dem ein Gasdruck-Regelventil vorgeordnet ist, das bei jeweils konstanter Last in Abhängigkeit von einer einstellbaren Vorspannung einer Sollwertfeder mittels eines Stellgliedes den Gasdruck derart regelt, daß die Differenz zwischen Gasdruck und Ladedruck der verdichteten Ladeluft jeweils vor dem Mischventil konstant ist, wobei das Stellglied in einer Richtung mit der Kraft der Sollwertfeder und einer vom Ladedruck ausgeübten Kraft und in entgegengesetzter Richtung mindestens mit einer vom Gasdruck ausgeübten Kraft beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine bei Laständerungen ansprechende Einrichtung zur Änderung mindestens einer der Kräfte vorgesehen ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung derart ausgebildet ist, daß bei Erhöhung der Last die Differenz zwischen Gasdruck (p,J und Ladedruck (p_) erhöht wird.
  3. 3. Vorrichtlang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung derart ausgebildet ist, daß bei Absenkung der Last die Differenz zwischen Gasdruck (Pp) und Ladedruck (pT) reduziert wird.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der Einrichtung ein Regelgerät (41) vorgesehen ist, dem jeweils ein den Ladedruck (pL) und ein die Ist-Last repräsentierendes Signal aufgegeben wird.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Änderung der Vorspannung der Sollwertfeder (2o) ausgebildet ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwertfeder (2o) gegen einen mittels eines druckmittelbeaufschlagbaren Hubantriebes (24) verstellbaren Anschlagteller (22) anliegt.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Reduktion der durch den Ladedruck (p,.) und/oder den Gasdruck (pG) ausgeübten Kraft ausgebildet ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung mindestens ein Entlüftungsventil (Magnetventil 44) aufweist.
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