DE3913358A1 - Gas-luftmischer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gas-Luftmischer zum Dosieren und Mischen von Brenngas und Verbrennungsluft für gasbe­ triebene, gemischverdichtende Brennkraftmaschinen, insbe­ sondere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Handelsübliche Gas-Luftmischer zeigen in der praktischen Anwendung am Motor Probleme bezüglich der gewünschten individuellen Drehmomentgestaltung sowie der freien Aus­ wahl des Brennstoff-Luftverhältnisses im Teillastbereich. Meistens ist beides miteinander untrennbar verknüpft und nur bedingt durch Geometrieveränderungen des Gemischbil­ dungssystems zu beeinflussen. Die auftretenden Fertigungs­ toleranzen in den Gas-Luftmischern führen dann zu nicht korrigierbaren Drehmomentstreuungen der einzelnen Gasmo­ toren und bereiten der Motorenabnahme erhebliche Probleme.

Einen weiteren Schwachpunkt vieler Gas-Luftmischer stellt das bewegliche Gemischbildungssystem dar. Es wird durch Ansaugluftpulsationen und Motorvibrationen (speziell bei Ein-Zweizylindermotoren) leicht zu Schwingungen angeregt. Dadurch ergeben sich im Resonanzbereich unkontrollierbare Veränderungen des Brennstoff-Luftverhältnisses und des Drehmomentverhaltens des Motors. Darüber hinaus wird dabei ein erheblicher Verschleiß im Mischer verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gas-Luft­ mischer zu schaffen, der im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eine freie Wahl des Mischungsverhält­ nisses von Brenngas und Verbrennungsluft gestattet, der unempfindlich gegen Saugrohr- und Motorschwingungen ist und der wenig Verschleiß zeigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die erfindungs­ gemäße Aufteilung des Gemischbildungssystems in ein Vol­ last- und ein Teillastsystem ist eine weitgehend unabhän­ gige Anpassung des Brennstoff-Luftverhältnisses für den Vollast- und Teillastbereich des Motors ermöglicht. Auf diese Weise läßt sich ein hohes Drehmoment (fettes Ge­ misch) mit niedrigem Teillastverbrauch und geringer Schad­ stoffemission (mageres Gemisch) kombinieren. Ebenso be­ steht die Möglichkeit, den Drehmomentverlauf des Gasmotors frei zu gestalten.

Durch Wegfall der sonst üblichen variablen Lufttrichter ist das erfindungsgemäße Gemischbildungssystem und damit das Betriebsverhalten des Motors unempfindlich gegen Gas­ schwingungen im Ansaugrohr und Motorvibrationen. Außerdem tritt kein Verschleiß in dem Mischsystem auf. Das wirkt sich günstig auf die Gleichmäßigkeit und Konstanz der Leistungswerte der einzelnen Gasmotoren aus.

Durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird eine sehr einfache Variation des Gas-Luftgemisches im gesamten Betriebsbereich des Motors erreicht. Die Wirkver­ bindung zwischen der Drosselklappe und den Querschnitts­ verstelleinrichtungen kann starr sein, so daß die Stellung der Querschnittsverstelleinrichtung unmittelbar von der Winkelstellung der Drosselklappe abhängt; es kann aber auch von Vorteil sein, eine elastische Verbindung oder eine solche mit Totwegen vorzusehen. Die Querschnittsver­ stelleinrichtungen und die Wirkverbindungen lassen sich verschleißfrei lagern. Dadurch sind sie gegen Motorvibra­ tionen unempfindlich. Auch Ansaugpulsationen können keine Störungen verursachen, da die beweglichen Teile durch Zwangssteuerung resonanzunempfindlich sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gestattet die freie Gestaltung des Drehmomentverlaufs des Gasmotors. Abhängig vom Unterdruck im Mischrohr, d. h. bei offener Drosselklappe abhängig von der Motordrehzahl und abhängig von der im Betrieb verstellbaren ersten und zweiten Dros­ sel wird in die Vollastgasleitung mehr oder weniger Zu­ satzgas bzw. Zusatzluft hinzugegeben. Dadurch kann über das Brenngas-Luftverhältnis das Drehmoment entlang der Vollastlinie variiert werden. Der dabei verwendete Steuer­ schieber hat eine nur geringe Masse, so daß er von Motor­ schwingungen und Verschleiß weitgehend unberührt bleibt.

Anstelle des einen Steuerschiebers mit zwei steuernden Kanten kann es auch Vorteil sein, zwei oder mehrere Steu­ erschieber mit jeweils nur einer steuernden Kante zu ver­ wenden.

Durch die erfindungsgemäße Verbindung des Steuerkolbens mit der Steuermembran wird die vom Unterdruck im Saugrohr abhängige Steuerung des Drehmomentverlaufs ermöglicht. Dabei wird die Lage des Drehmomentmaximums durch die Vor­ spannung der Druckfeder bestimmt, wobei die Vorspannung beispielsweise über eine Verstellschraube einstellbar ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Rückschlagven­ tils in der Gassteuerleitung wird eine in unerwünschter Richtung verlaufende Strömung zwischen den beiden Ge­ mischbildungssystemen vermieden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gestattet die Begrenzung der maximalen Leistung (Leistungsblockie­ rung) und verhindert damit eine Überbelastung des Gasmo­ tors.

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung wird eine feinfühlige Einstellung des Leerlaufgemisches ermöglicht. Dies wird durch einen einstellbaren Nebenluftstrom zur Teillastgasleitung bewirkt. Auf diese Weise ist eine weit­ gehende Veränderung des Brenngas-Luftverhältnisses mög­ lich. Gleichzeitig wird eine gute Vermischung von Brenngas und Luft erreicht.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung wird erreicht, daß nach Abstellen der Zündung ein Nachdieseln des Gasmotors durch starke Gemischabmagerung verhindert wird. Dies geschieht durch ein von der Zündung aktiviertes Magnetventil, das am Gas-Luftmischer oder getrennt davon an einer geschützten Stelle angebracht sein kann.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der fol­ genden Beschreibung und der Zeichnung, in der Ausführungs­ beispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind.

Es zeigt die Figur einen Querschnitt durch den erfindungsge­ mäßen Gas-Luftmischer.

Der Gas-Luftmischer besitzt ein Mischrohr 31, das in Pfeilrichtung durchströmt wird und ein Teil der nicht dargestellten Ansaugleitung des Gasmotors darstellt. Im Mischrohr 31 ist eine Venturidüse 30 und eine Drosselklap­ pe 4 angeordnet. In der engsten Stelle der Venturidüse 30 mündet eine Vollastgasleitung 16 und in den in Strömungs­ richtung hinter der Drosselklappe 4 gelegenen Teil des Mischrohres 31 eine Teillastgasleitung 10.

In der Vollastgasleitung 16 befindet sich eine Vollast- Querschnittsverstelleinrichtung 26, in der Teillastgaslei­ tung 10 eine Teillast-Querschnittsverstelleinrichtung 13, die untereinander und mit der Drosselklappe 4 und einem nicht dargestellten Gaspedal spielfrei verbunden sind.

Die Vollastgasleitung 16 und die Teillastgasleitung 10 stehen mit der Gasleitung 27 in Strömungsverbindung, wobei sich in der Gasleitung 27 vor dem Abzweig der Vollastgas­ leitung 16 eine einstellbare Vollastbegrenzungsdrossel 28 befindet.

Der Vollastgasleitung 16 ist eine Steuervorrichtung 15 für den Drehmomentverlauf des Gasmotors zugeordnet. Diese besitzt eine erste Steuerleitung 21 und eine zweite Steu­ erleitung 22, die in die Vollastgasleitung 16 in Strö­ mungsrichtung hinter der Vollast-Querschnittsverstellein­ richtung 26 münden. Die erste Steuerleitung 21 und die zweite Steuerleitung 22 sind über eine Luftsteuerleitung 23 mit einer Luftleitung 24 oder über eine Gassteuerlei­ tung 14 mit der Gasleitung 27 verbunden. Außerdem besteht die Möglichkeit, die erste Steuerleitung 21 mit der Gas­ leitung 27 und zugleich die zweite Steuerleitung 22 mit der Luftleitung 24 zu verbinden. Die Art der Verbindung wird durch einen Stopfen 32 festgelegt, der sich in den Positionen A, B oder C in der Luftsteuerleitung 23 bzw. der Gassteuerleitung 14 befinden kann.

Der Querschnitt der ersten Steuerleitung 21 und der zwei­ ten Steuerleitung 22 wird durch einen Steuerschieber 19 gesteuert, der über eine Verbindungsstange 29 mit einer Steuermembran 7 verbunden ist.

Die Steuermembran 7 wird auf der Seite des Steuerschiebers 19 über die Luftleitung 24 und eine Verbindungsleitung 25 vom Außenluftdruck beaufschlagt. Auf die andere Seite der Steuermembran 7 wirken der Druck im Mischrohr 31, der durch die Steuerdruckleitung 6 unter die Steuermembran 7 gelangt und eine mittels einer Verstellschraube 33 ein­ stellbare Druckfeder 8.

In der ersten Steuerleitung 21 befindet sich eine ein­ stellbare erste Drossel 17, in der zweiten Steuerleitung 22 eine einstellbare zweite Drossel 18, wobei die Drosseln (17, 18) den maximalen Durchfluß in den Steuerleitungen (21, 22) begrenzen.

In die Teillastgasleitung 10 mündet die Luftleitung 24, in der sich eine einstellbare Leerlaufluftdrossel 12 befindet.

In Strömungsrichtung vor der Leerlaufluftdrossel 12 zweigt von der Luftleitung 24 eine Bypaßleitung 11 ab, die in Strömungsrichtung hinter der Teillast-Querschnittsver­ stelleinrichtung in die Teillastgasleitung 10 mündet, wobei die Bypaßleitung 11 von einem Magnetventil 9 be­ herrscht wird.

Bei geöffneter Drosselklappe 4 entsteht beim Durchströmen der Venturidüse 30 ein Unterdruck, durch den das Brenngas proportional zur Luftmenge aus der Vollastgasleitung 16 angesaugt wird. Die Größe der Vollastgasmenge entlang der Drehmomentkurve wird durch die Vollastbegrenzungsdrossel 28, die Vollast-Querschnittsverstelleinrichtung 26 und die Steuervorrichtung 15 bestimmt. Die Vollastbegrenzungsdros­ sel 28 begrenzt bei voll geöffneter Vollast-Querschnitts­ verstelleinrichtung 26 im Nenndrehzahlpunkt des Gasmotors die maximale Gasmenge. Mit der Vollastbegrenzungsdrossel 28 wird die Nennleistung des Gasmotors blockiert.

Die Vollast-Querschnittsverstelleinrichtung 26 steuert die Gasmenge nur im vollastnahen Bereich. Im Teillast- und Leerlaufbetrieb ist sie geschlossen, da in diesem Be­ triebsbereich in der Venturidüse 30 ein nur minimaler Unterdruck herrscht.

Der Drehmomentverlauf wird von der Steuervorrichtung 15 beeinflußt. Die Beeinflussung beruht auf einer mehr oder weniger starken Abmagerung oder Anfettung des Brenngas- Luftgemisches in Abhängigkeit von der Motordrehzahl. Auf diese Weise wird die durch Drossel-, Wärme- und Undichtig­ keitsverluste bedingte, natürliche Drehmomentcharakteri­ stik des Motors mit Drehmomentmaximum bei mittlerer Motor­ drehzahl modifiziert.

Der Unterdruck im Mischrohr 31 hängt bei geöffneter Dros­ selklappe 4 nur von der Motordrehzahl ab. Dieser Unter­ druck wirkt über die Steuerdruckleitung 6 auf die Membran 7 und bewegt den Steuerschieber 19 gegen die Kraft der Druckfeder 8. Die Rückseite der Membran 7 wird über die Verbindungsleitung 25 und die Luftleitung 24 mit At­ mosphärendruck beaufschlagt.

Mit offener Drosselklappe ist der Unterdruck im Mischrohr 31 bei Nenndrehzahl am höchsten, so daß der Steuerschieber 19 seine unterste Stellung einnimmt. Dabei ist die zweite Steuerleitung 22 voll geöffnet und die erste Steuerleitung 21 voll geschlossen.

Wenn sich der Stopfen 32 in der Stellung C befindet, ge­ langt im Nenndrehzahlpunkt Zusatzluft über die Luftleitung 24, die Luftsteuerleitung 23 und die zweite Steuerleitung 22 mit der zweiten Steuerdrossel 18 in die Vollastgaslei­ tung 16 und führt zu einer Gemischabmagerung und damit Drehmomentsenkung im Nennleistungspunkt. Die maximale Zusatzluftmenge in diesem Punkt ist mit der zweiten Steuerdrossel 18 im Betrieb einstellbar.

Mit sinkender Motordrehzahl sinkt der Unterdruck im Misch­ rohr 31 und damit auch unter der Membran 7, so daß die Druckfeder 8 den Steuerschieber 19 zunehmend nach oben schiebt. Dadurch wird bei noch geschlossener erster Steu­ erleitung 21 die zweite Steuerleitung 22 allmählich ge­ schlossen, das zu einer Verringerung der Zusatzluftmenge führt. Die dadurch bedingte Anfettung des Gasstromes in der Vollastgasleitung 16 hat ein starkes Ansteigen des Motordrehmomentes mit sinkender Motordrehzahl zur Folge.

Bei mittlerer Motordrehzahl, dem Bereich des natürlichen Drehmomentmaximums, sind beide Steuerleitungen durch den Steuerschieber 19 geschlossen, so daß keine Gemischabmage­ rung stattfindet und sich das natürliche Drehmomentmaximum einstellt. Dessen Lage kann mit Hilfe der auf die Druckfe­ der 8 wirkenden Verstellschraube 33 verändert werden.

Bei noch weiter sinkender Motordrehzahl wird die erste Steuerleitung 21 vom Steuerschieber 19 zunehmend geöffnet. Dadurch gelangt aus der Gasleitung 27 über die Gassteuer­ leitung 14 und die erste Steuerleitung 21 mit der ver­ stellbaren ersten Drossel 17 zusätzliches Gas in die Vol­ lastgasleitung 16 und führt zu einer Gemischanfettung im Gemischrohr 31. Auf diese Weise wird der natürliche Abfall des Motordrehmomentes bei tiefen Motordrehzahlen verrin­ gert.

Die Höhe des Drehmomentes im Punkte der niedrigsten, noch zulässigen Vollastdrehzahl des Motors ist durch die ver­ stellbare erste Drossel 17 einstellbar.

Durch Verändern der Lage des Stopfens von Position C nach Position A wird das Brenngas-Luftgemisch im Mischrohr 31 auch oberhalb des natürlichen Drehmomentmaximums angefet­ tet, so daß sich ein insgesamt flacher Drehmomentverlauf einstellt.

Im Gegensatz dazu wird durch die Lage des Stopfens in der Position B das Brenngas-Luftgemisch im Mischrohr 31 sowohl oberhalb wie unterhalb des natürlichen Drehmomentmaximums abgemagert. Dadurch wird ein starker Drehmomentanstieg von der Nenndrehzahl zum Drehmomentmaximum und ein ebenso starker Drehmomentabfall vom Drehmomentmaximum zur unteren Grenzdrehzahl erreicht. Diese Drehmomentabstimmung kann bei klopfgefährdeten Gasmotoren vorteilhaft sein, während die Auslegung mit Stopfen in der Position A bei tempera­ tur- und klopfunempfindlichen Motoren den höchstmöglichen Drehmomentverlauf verwirklicht.

Mit sinkender Motorlast als Folge des Schließens der Vol­ last-Querschnittsverstelleinrichtung 26 und der Drossel­ klappe 4 wird der Gas- bzw. Gemischstrom in der Vollast­ gasleitung 16 auf 0 gedrosselt, während der Gas- bzw. Gemischstrom in der Teillastgasleitung 10 durch das gleichzeitige Öffnen der Teillast-Querschnittsverstellein­ richtung 13 ansteigt.

Der Gas- bzw. Gemischstrom aus der Teillastgasleitung 10 wird durch den in Strömungsrichtung hinter der Drossel­ klappe 4 herrschenden Unterdruck in das Mischrohr 31 geför­ dert. Dabei verhindert das Rückschlagventil 20 eine Strö­ mung durch die Vollastgasleitung 16, die erste Steuerlei­ tung 21 und die zweite Steuerleitung 22 in der falschen Richtung und damit eine ungewollte Abmagerung des Teil­ lastgemisches.

Mit weiter abnehmender Motorlast wird bei geschlossener Vollast-Querschnittsverstelleinrichtung 26 auch die Teil­ last-Querschnittsverstelleinrichtung 13 und die Drossel­ klappe 4 weiter geschlossen, bis die Leerlauflast bzw. Leerlaufdrehzahl des Motors erreicht ist. Die Zusammen­ setzung des Leerlaufgemisches und die Leerlaufdrehzahl ist mittels der variablen Leerlaufdrossel 12 in der Luftlei­ tung 24 über die Menge der Zusatzluft feinfühlig ein­ stellbar.

Der Gasmotor wird durch Ausschalten der Zündung abge­ stellt. Um ein eventuelles Nachdieseln zu verhindern, wird dem Gemischstrom in der Teillastgasleitung 10 über die Motorabstelleitung 11 und das durch Ausschalten der Zündung geöffnete Magnetventil 9 soviel Zusatzluft zugemischt, daß die magere Zündgrenze des Gemisches unterschritten wird und der Motor sofort zum Stehen kommt.

Claims (10)

1. Gas-Luftmischer zum Dosieren und Mischen von Brenn­ gas und Verbrennungsluft für gasbetriebene, gemischver­ dichtende Brennkraftmaschinen, mit einer Gasleitung (27) und einem Mischrohr (31), das von der Verbrennungsluft durchströmt wird und in das dosiert Brenngas eingeleitet und mit der Verbrennungsluft vermischt wird, wobei in dem Mischrohr (31) eine Drosselklappe (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Mischrohr (31) in Strö­ mungsrichtung vor der Drosselklappe (4) eine Venturidüse (30) vorgesehen ist, wobei im Bereich von deren engstem Querschnitt eine Vollastgasleitung (16) und in Strömungs­ richtung nach der Drosselklappe (4) in das Mischrohr (31) eine Teillastgasleitung (10) mündet.

2. Gas-Luftmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vollastgasleitung (16) eine Vollast-Querschnittsverstelleinrichtung (26) und in der Teillastgasleitung (10) eine Teillast-Querschnittsver­ stelleinrichtung (13) angeordnet sind, wobei die Vollast-Quer­ schnittsverstelleinrichtung (26) und die Teillast-Quer­ schnittsverstelleinrichtung (13) untereinander und mit der Drosselklappe (4) in Wirkverbindung stehen.

3. Gas-Luftmischer nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung nach der Vollast-Querschnittsverstelleinrichtung (26) in die Vol­ lastgasleitung (16) mündend eine erste Steuerleitung (21) mit einer einstellbaren ersten Drossel (17) und eine zwei­ te Steuerleitung (22) mit einer einstellbaren zweiten Drossel (18) angeordnet sind, wobei der Durchfluß durch die Steuerleitungen (21, 22) durch Steuerschieber (19) beeinflußbar ist.

4. Gas-Luftmischer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerschieber (19) mit einer vorderen Steuerkante (19 a) und einer hinteren Steu­ erkante (19 b) vorgesehen ist, wobei die vordere Steuer­ kante (19 a) den Querschnitt der zweiten Steuerleitung (22) und die hintere Steuerkante (19 b) den Querschnitt der ersten Steuerleitung (21) beherrscht.

5. Gas-Luftmischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Steuerschieber (19) eine Verbindungsstange (29) angeordnet ist, wobei die Verbin­ dungsstange (29) mit einer Membran (7) verbunden ist, deren zum Schieber (19) gerichtete Seite mit dem Druck der Umgebungsluft und deren andere Seite mit dem Druck im Mischrohr (31) sowie der Kraft einer Druckfeder (8) beauf­ schlagt ist.

6. Gas-Luftmischer nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Außenluft in Verbindung stehende Luftleitung (24) vorgesehen ist, und daß die Steuerleitungen (21, 22) über eine Luftsteuerlei­ tung (23) mit der Luftleitung (24) und/oder über eine Gassteuerleitung (14) mit der Gasleitung (27) verbindbar sind.

7. Gas-Luftmischer nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gassteuerleitung (14) ein in Richtung Gasleitung (27) schließendes Rückschlag­ ventil (20) angeordnet ist.

8. Gas-Luftmischer nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gasleitung (27) in Strömungsrichtung vor dem Abzweig der Vollastgasleitung (16) eine verstellbare Vollastbegrenzungsdrossel (28) angeordnet ist.

9. Gas-Luftmischer nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitung (24) in die Teillastgasleitung (10) in Strömungsrichtung hinter der Teillast-Querschnittsverstelleinrichtung (13) mündet, und daß in der Luftleitung (24) zwischen dem Abzweig der Luft­ steuerleitung (23) und der Teillastgasleitung (10) eine einstellbare Leerlaufluftdrossel (12) angeordnet ist.

10. Gas-Luftmischer nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Luftleitung (24) und der Teillastgasleitung (10) eine Bypaßleitung (11) angeordnet ist, die in Strömungsrichtung oberhalb der Leerlaufluftdrossel (12) abzweigt und die in Strömungs­ richtung unterhalb der Teillast-Querschnittsverstellein­ richtung in die Teillastgasleitung (10) mündet, wobei die Bypaßleitung (11) von einem Magnetventil (9) beherrscht ist.