DE4323969A1 - Vergaser für gasförmigen Brennstoff - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vergaser zur Abgabe eines Gemisches aus Luft und gasförmigem Brennstoff an eine Brennkraftmaschine. Insbesondere bezieht sie sich auf ein System zur Zufuhr eines gasförmigen Brennstoffs wie z. B. Propan, Metan oder Erdgas an die Brennkraftmaschine zur Steuerung der Drehzahl und der Ausgangsleistung der Brenn­ kraftmaschine. Solche Vergaser sind bekannt; viele arbeiten jedoch nicht zufriedenstellend im Teillast- und Leerlauf- Bereich.

Der zu offenbarende Vergaser ist bestimmt für den Einsatz bei kleinen Viertakt-Nutzbrennkraftmaschinen für beispiels­ weise motorbetriebene Bodenpuffer, Generatoren oder Gabel­ stapler oder sogar Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen. Er könnte auch bei Zweitaktmaschinen eingesetzt werden, die eine Mischung von Öl mit dem Brennstoff nicht erfordern, sondern ein getrenntes Öl-Schmiersystem haben. Der Einsatz gasförmiger Brennstoffe nimmt mit den Kosten flüssiger Kraftstoffe zu, wird jedoch auch von Umweltüberlegungen bestimmt. Selbst wenn der Einsatz gasförmiger Brennstoffe einen wirtschaftlichen Vorteil mit sich bringt, kann sein Einsatz bei Betrieb innerhalb von Gebäuden erwünscht sein, wo die Erzeugung von Kohlenmonoxid nicht zulässig ist. Solch ein Einsatz umfaßt Gabelstapler und motorgetriebene Boden­ puffer, wie sie innerhalb kommerzieller Gebäude verwendet werden, sowie in Innenräumen eingesetzte motorbetriebene Generatoren. Die Verwendung gasförmiger Brennstoffe und das Mischen von Luft mit dem gasförmigen Brennstoff kann zu einer sehr viel saubereren Verbrennung mit höherem Wirkungs­ grad führen und ist somit in jede Umgebung, innen oder außen, wünschenswert, wo die Luftverschmutzung ein Problem darstellt. Im Vergleich zu flüssigen Kraftstoffen brennt gasförmiger Brennstoff sehr viel sauberer, und Schadstoff­ emissionen sind um 50% oder mehr niedriger.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Vergaser zu schaffen, der einen vergleichsweise einfachen Aufbau hat und der in vieler Hinsicht den Vergasern für flüssigen Kraft­ stoff entspricht, die den Mechanikern und Fahrern besser be­ kannt sind.

Beispiele vorbekannter Konstruktionen von Vergasern für gas­ förmigen Brennstoff finden sich in folgenden U.S. Patenten:
4,063,905 (1977)
4,123,233 (1978)
4,450,821 (1984)
4,541,397 (1985)
4,765,303 (1988)
4,894,067 (1990)
4,997,458 (1991).

Ferner wird Bezug genommen auf die US-A-3,758,084, die einen Vergaser für flüssigen Kraftstoff betrifft.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung sind in den Patentansprüchen angegeben.

Bei dem Vergaser gemäß der vorliegenden Erfindung bildet der Leerlaufkreis einen Teil der Brennstoffregelung. Im Leerlauf strömt der gasförmige Brennstoff durch den Leerlaufkreis und die Leerlaufdrosselstelle. Bei Volldrosselung strömt nahezu der gesamte gasförmige Brennstoff durch den Hauptbrenn­ stoffkanal. Zwischen diesen beiden Zuständen strömen unter­ schiedliche Mengen des gasförmigen Brennstoffs sowohl durch den Leerlauf- wie auch durch den Hauptbrennstoffkanal, wobei die Menge des durch den jeweiligen Kanal fliegenden Brenn­ stoffes von der Drosselöffnung und somit von dem Unterdruck in der Engstelle des Vergasers abhängt.

Typischerweise können kleine mit gasförmigem Brennstoff be­ triebene Brennkraftmaschinen mit herkömmlichen Vergasern im Leerlauf bis zu ungefähr 1600 und 1700 U/min verlangsamt werden; ein Betrieb bei kleineren Drehzahlen ist jedoch nicht möglich. Im Gegensatz hierzu kann der mit gasförmigem Brennstoff betriebene Vergaser gemäß der vorliegenden Erfin­ dung im Leerlauf mit einer Drehzahl von 1000 U/min unter stabilen Betriebsbedingungen betrieben werden. Bei diesen Brennkraftmaschinen beträgt die Betriebsgeschwindigkeit bei voll geöffneter Drosselklappe ungefähr 3600 U/min. Der er­ findungsgemäß ausgebildete Vergaser hat einen besonders ho­ hen Wirkungsgrad in dem Bereich von 1/4 bis 3/3 Vollast, einen Bereich, in dem in Zukunft besonders strenge Anforde­ rungen hinsichtlich der Schadstoffemission vom Gesetzgeber gestellt werden.

Die oben erwähnte US-A-3,758,084 zeigt einen mit flüssigem Kraftstoff betriebenen Vergaser mit einem Hauptkraftstoff­ kanal, einer membrangesteuerten Kraftstoffzufuhr, einem Leerlaufkanal und einem Leerlauf-Rückschlagventil, das häu­ fig bei Vergasern für flüssigen Kraftstoff anzutreffen ist. Dieses Rückschlagventil verhindert ein Entleeren der Haupt­ kraftstoffkanäle im Leerlauf, so daß Kraftstoffin den Hauptkraftstoffkanälen zur Verfügung steht, wenn in die Teil- oder Vollöffnungsstellung der Drosselklappe zurückge­ kehrt wird. Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Vergaser wird ein spezielles Klappen- bzw. Blattventil verwendet, das z. B. aus dünnem Kunststoff besteht und nicht nur als Rück­ schlagventil, sondern auch als Teildrossel-Regelventil dient.

Bei weit offener Drosselklappe hat das Hauptdüsensignal sei­ nen Maximalwert und das Rückschlagventil ist voll geöffnet. Der Strom des gasförmigen Brennstoffs wird dann nur durch den Hauptbrennstoffkanal beschränkt. Während die Drossel­ klappe schließt, wird das Düsensignal kleiner, und das Rück­ schlagventil beginnt zu schliefen. Wenn sich das Rückschlag­ ventil in einer teilweise offenen Stellung befindet, wie noch genauer beschrieben wird, erfolgt die Drosselung des Brennstoffstroms nicht länger im Bereich des Hauptbrenn­ stoffstroms, sondern im Bereich zwischen dem Rückschlag­ ventil und dem Rückschlagventilgehäuse. Dieser Bereich kann gesteuert werden, wie noch in der Beispielsbeschreibung er­ läutert wird. Im Leerlauf arbeitet das Ventil ferner in der Weise, daß es ein Rückströmen verhindert.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht eines Vergasers;

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Dichtung zwischen der oberen und unteren Gehäusehälfte;

Fig. 4 eine Ansicht einer Dichtung mit einem Blattven­ til;

Fig. 5 eine Seitenansicht der Dichtung;

Fig. 6 eine Detailansicht des Blattventils;

Fig. 7 eine Ansicht zum Veranschaulichen der Anordnung des Brennstoffstrahls in einer Brennstoffdüse;

Fig. 8 eine Ansicht zum Veranschaulichen der Anordnung des Brennstoffstrahls in einem Gaseinlaßnippel.

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, bildet ein zweiteiliges Gehäuse den Vergaser, und zwar mit einem unteren Gehäuseteil 20 und einem oberen Gehäuseteil 22, das an dem unteren Gehäuseteil durch Schrauben 24 befestigt ist. Das obere Gehäuseteil 22 besitzt einen Luft/Brennstoffkanal 26 mit einem Lufteinlaß­ ende 28, einem Brenngas/Luftauslaß 30 und einem Venturiab­ schnitt 32 dazwischen. Eine Düse 34 steht in den Venturiab­ schnitt 32 vor und besitzt eine Basis 36, die in dem Gehäu­ seteil 22 angebracht ist. Unterhalb der Düse 34 befindet sich eine Brennstoffkammer 40. Ein Vordrosselventil (Choke­ ventil) 42 ist in dem Lufteinlaß des Kanals 26 angeordnet und wird in herkömmlicher Weise gesteuert. Ein Drosselventil 44 in Form einer Drosselklappe ist zwischen dem Venturiab­ schnitt 32 und dem Auslaß 30 schwenkbar gelagert.

Ebenfalls in dem oberen Gehäuseteil 22 befindet sich ein Leerlaufdurchlaß (idle jet) 51, der zu einem vertikalen Kanal 50 in der Nähe der Brennstoffkammer 40 führt. Der vertikale Kanal 50 geht in einen Querkanal 52 über, welcher unterhalb von Leerlaufbohrungen 54, 56 und 58 verläuft. Eine Leerlaufverstellschraube 62, die von einer Feder 64 abge­ stützt wird, ist in eine Bohrung 60 des Gehäuseteils 22 eingeschraubt. Das innere Ende 66 der Leerlaufverstell­ schraube 62 steuert den wirksamen Querschnitt der Leerlauf­ bohrung 58.

In dem unteren Gehäuseteil 20 ist ein abgestufter vertikaler Kanal 70 mit einem kleinen Ende 71 vorgesehen, das als Hauptbrenngasdurchlaß (main gas jet) zur Kammer 40 dient. Das größere Ende 72 ist mit einem Brennstoff-Einlaßkrümmer 74 versehen, der an einer Brennstoffleitung angeschlossen wird. Ein horizontaler Kanal 76 führt von dem Kanal 70 zu einem vertikalen Kanal 78, der zu dem Kanal 50 im oberen Gehäuseteil 22 ausgerichtet ist. Elemente 80 in Form von Stopfen dienen zum Verschließen von gebohrten Löchern. Bei einer anderen Konstruktion könnte der Hauptbrenngasdurchlaß 71 in der Düsenbasis 36 (Fig. 7, 71A) oder in dem Kanal 72 (Fig. 8, 71B) oberhalb des Brennstoff-Einlaßkrümmers 74 angeordnet werden.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist der Kanal 70 als Loch in der Oberseite des unteren Gehäuseteils 20 ausgebildet. Zwischen dem oberen Gehäuseteil 22 und dem unteren Gehäuseteil 20 be­ finden sich zwei Dichtungen 90 und 92. Fig. 3 zeigt das Pro­ fil der Dichtung 90, die eine der Brennstoffkammer 40 ent­ sprechende ovale zentrale Öffnung 94 sowie Endlöcher zur Aufnahme von Befestigungsschrauben aufweist. In Fig. 4 ist die Dichtung 92 dargestellt, die eine zur Öffnung 94 in der Dichtung 90 ausgerichtete zentrale Öffnung 96 aufweist, wel­ che jedoch mit einem Blattventil (reed ventil) 100 in Form einer Klappe versehen ist, die über dem Hauptbrenngas­ durchlaß 71 im unteren Gehäuseteil 20 liegt. Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht der Dichtung 92.

Die Dichtung 92 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff, wie z. B. Polyester (eingetragenes Warenzeichen "MYLAR") oder Polyimid (eingetragenes Zeichen "KAPTON"). Das Blattventil 100 hat vorzugsweise eine Dicke t (Fig. 6) im Bereich von 0,025 bis 0,127 mm (0,091 und 0,005 inch). Der Hebelarm L (Fig. 6) liegt vorzugsweise in einem Bereich von 2,54 bis 12,70 mm (0,100 bis 0,590 inch). Ein Hebelarm von 4,45 mm (0,175 inch) wurde in der Praxis mit Erfolg eingesetzt. Dicken innerhalb des oberen Bereichs in Abstufungen von 2,54 mm (0,100 inch) wurden ebenfalls mit Erfolg verwirklicht.

Es ist wichtig, daß das Blattventil 100 aus einem Material besteht, das durch Berührung mit dem Brennstoff nicht beein­ trächtigt wird. Beispiele hierfür sind die oben erwähnten Kunststoffe sowie dünner rostfreier Stahl oder ein korrosi­ onsbeständiges Metall wie z. B. Messing oder Bronze.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Brennstoffkammer 40 im oberen Gehäuseteil 22 eine Breite und Tiefe hat, die eine volle Bewegung des Blattventils 100 zulassen. Außerdem ist die Öffnung für die Düse 34 bezüglich des Blattventils 100 seitlich versetzt, um eine freie Strömung zu der Düse 34 zu ermöglichen, wenn sich das Blattventil 100 in vom Ventilsitz abgehobenen Stellungen befindet.

Es wird nun die Betriebsweise des Vergasers beschrieben.

Im Leerlauf, wenn das Drosselventil 44 die in Fig. 2 gezeig­ te Stellung einnimmt, ist der Unterdruck an der Leerlauf­ bohrung 58 größer als der Unterdruck an der Düse 34, und dies hat zur Folge, daß das als Rückschlagventil funktio­ nierende Blattventil 100 schließt. Brennstoff wird durch den Brennstoffeinlaß gesaugt, ohne daß Luft durch die Düse 34 gesaugt wird. Brennstoff, der durch den Venturiabschnitt 32 mit Luft vermischt wird, wird an die Brennkraftmaschine al­ lein durch die Leerlaufbohrung 58 abgegeben.

Wenn das Drosselventil 44 in der Öffnungsrichtung verstellt wird, wird der Unterdruck an der Düse 34 größer, was ein Öffnen des Blattventils 100 bewirkt. Die Brennstoffabgabe an die Brennkraftmaschine erfolgt nun hauptsächlich durch die Düse 34; bei teilweise geöffnetem Drosselventil 44 kann je­ doch die Strömung sowohl durch den Leerlaufdurchlaß 51 wie auch durch den Hauptbrenngasdurchlaß 71 erfolgen.

Wenn das Drosselventil 44 weiter öffnet, nimmt der Unter­ druck an der Düse 34 weiter zu, so daß das Blattventil 100 weit geöffnet wird. Der Brennstoffstrom bei teilweise ge­ öffnetem Drosselventil kann dadurch gesteuert werden, daß die Öffnung des Blatt- bzw. Rückschlagventils relativ zum Unterdruck an der Düse 34 beeinflußt wird. Dies kann durch Änderung der Geometrie des Blattventils 100 erreicht werden, genauer gesagt durch Änderung der Dicke t (Fig. 6) und des Hebelarms L (Fig. 6). Die Elastizität der Dichtung 92 wie auch der Druck des gasförmigen Brennstoffs am Einlaß bzw. im Einlaßkrümmer 74 sind Einflußfaktoren. Wie dies bei der Aus­ legung von Vergasern üblich ist, ist eine Kalibrierung be­ züglich verschiedener oben beschriebener Parameter erforder­ lich.

Claims (11)

1. Vergaser für gasförmiges Brenngas in einer Brenn­ kraftmaschine mit:

• a) einem Gehäuse (20, 22) mit einem Brennstoff/ Luft-Venturikanal (26 ,32);
• b) einem Vordrosselventil (42) und einem Dros­ selventil (44) im Venturikanal (26, 32);
• c) einer Brennstoffkammer (40) für gasförmigen Brennstoffim Gehäuse (20, 22) und einer Hauptbrennstoffdüse (34), die die Brennstoffkammer (40) und den Venturikanal (26) verbindet;
• d) einem Gaseinlaß (70, 74), der mit der Brenn­ stoffkammer (40) verbunden ist;
• e) einem Ventilsitz in einer Wand der Brenn­ stoffkammer (40);
• f) einem dünnen flexiblen Blatt- bzw. Klappen­ ventil (100) mit einem im Gehäuse (20, 22) verankerten ersten Abschnitt und einem von dem ersten Abschnitt abgehenden zweiten Abschnitt, der über dem Ventilsitz liegt, um den Gasstrom zum Venturikanal (26, 32) in Abhängigkeit zu dem Dü­ senunterdruck im Venturikanal zu steuern.

2. Vergaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blattventil (100) eine Dicke (t) zwischen 0,025 mm (0,001′′) und 0,127 mm (0,005′′) und einen Hebelarm (L) in der Größenordnung von 2,54 mm (0,100′′) bis 12,70 mm (0,500′′) hat.

3. Vergaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebelarm (L) eine Länge von 4,445 mm (0,175′′) hat.

4. Vergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Blattventil (100) aus Poly­ imid-Kunststoff besteht.

5. Vergaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Blattventil (100) aus Polyester be­ steht.

6. Vergaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Blattventil (100) aus einem dünnen, flexiblen korrosionsbeständigen Metall besteht.

7. Vergaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Blattventil (100) aus einem dünnen, flexiblen, rostfreien Stahl besteht.

8. Vergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine kalibrierte Hauptbrenn­ stoffkanal-Drosselstelle unterhalb des Ventilsitzes zwischen dem Ventilsitz und dem Gaseinlaß angeordnet ist.

9. Vergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein kalibrierter Hauptkraft­ stoffkanal zwischen dem Gaseinlaß und dem Venturikanal an­ geordnet ist.

10. Vergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (20, 22) ein Leer­ laufkanal (50, 52) vorgesehen ist, der den Gaseinlaß (70, 74) und den Venturikanal (26, 32) durch Leerlauföffnungen (54, 56) stromab der Hauptbrennstoffdüse (34) in Nähe des Drossel­ ventils (44) vorgesehen ist, daß in dem Leerlaufkanal (50, 52) eine Leerlaufdrosselstelle (51) vorgesehen ist, daß eine Hauptleerlauföffnung (58) stromab der Schließstellung des Drosselventils (44) angeordnet ist und daß ein Leerlaufsteu­ erventil (60, 66) zur Steuerung der wirksamen Öffnung der Hauptleerlauföffnung (58) vorgesehen ist.

11. Vergaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus zwei Gehäuseteilen (20, 22) besteht, wo­ bei der Venturikanal (26, 28) das Vordrosselventil (42) und das Drosselventil (44), die Brennstoffdüse (34) und die Leerlauföffnungen und -kanäle (50, 58) in dem ersten Gehäu­ seteil (22) angeordnet sind und der Brennstoffeinlaß (70, 74) und der Ventilsitz in dem zweiten Gehäuseteil (20) angeord­ net sind, daß zwischen den beiden Gehäuseteilen (20, 22) Dichtungen (90, 92) angeordnet sind, von denen die eine (92) mit dem über dem Ventilsitz liegenden Blattventil (100) ein­ stückig ausgebildet ist, daß die Brennstoffkammer (40) in dem ersten Gehäuseteil (22) vorgesehen ist, das eine offene Seite aufweist, die dem Ventilsitz in dem zweiten Gehäuse­ teil (20) zugewandt ist, daß die Kraftstoffkammer (40) eine solche Breite und Tiefe hat, daß das Blattventil (100) in eine vollständig geöffnete Stellung auslenkbar ist, und daß die Düse (34) zu dem Blattventil (100) seitlich versetzt an­ geordnet ist, um eine freie Strömung zur Düse (34) zu er­ möglichen, wenn das Blattventil (100) eine vom Ventilsitz abgehobene Stellung einnimmt.