DE102006009172A1

DE102006009172A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung des Instationärverhaltens von magerbetriebenen Gasmotoren

Info

Publication number: DE102006009172A1
Application number: DE102006009172A
Authority: DE
Inventors: Edgar Dr. Bignion; Karl Stellwagen
Original assignee: Deutz AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2007-08-30
Also published as: WO2007098880A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasdruck-Regelventil zur Regelung der einer Gas-Luft-betriebenen Brennkraftmaschine zuzuführenden Gasmenge, wobei das Regelventil ein Ventilgehäuse mit einem von einer Ventilstange betätigten mit einem Sitzring zusammenwirkenden Ventilstellglied aufweist und die Ventilstange mit einer Differenzdruck-Stelleinrichtung wirkverbunden ist sowie ein Verfahren zur Verstellung eines solchen Gasdruck-Regelventils.
Erfindungsgemäß wird ein Gasdruck-Regelventil bzw. ein Verfahren zur Verstellung eines Gasdruck-Regelventils bereitgestellt bzw. angegeben, mit dem ein größtmöglicher Spielraum bei der Regelung der der Brennkraftmaschine zuzuführenden Gasmenge besteht. Dies wird dadurch erreicht, dass eine beliebige Stellung zwischen zwei Endstellungen einstellender Steller vorhanden ist, der mit einer Betriebspunkt-Stelleinrichtung oder der Differenzdruck-Stelleinrichtung oder dem Sitzring verbunden ist bzw. diese Teile verstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasdruck-Regelventil zur Regelung der einer Gas-Luft-betriebenen Brennkraftmaschine zuzuführenden Gasmenge, wobei das Regelventil ein Ventilgehäuse mit einem von einer Ventilstange betätigten mit einem Sitzring zusammenwirkenden Ventilstellglied aufweist und die Ventilstange mit einer Differenzdruck-Stelleinrichtung wirkverbunden ist sowie ein Verfahren zur Verstellung eines solchen Gasdruck-Regelventils.

Ein derartiges Gasdruck-Regelventil ist aus der DE 31 49 839 C2 bekannt. Dieses Gasdruck-Regelventil weist einen druckmittelbetätigten Hubantrieb für die Betriebspunkt-Stelleinrichtung auf, die in zwei definierte Positionen verstellbar ist. Entsprechend diesen beiden Positionen wird eine auf die Differenzdruck-Stelleinrichtung einwirkende Überdruck-Sollwertfeder mit zwei unterschiedlichen Vorspannungen beaufschlagt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasdruck-Regelventil bzw. ein Verfahren zur Verstellung eines Gasdruck-Regelventils bereitzustellen bzw. anzugeben, mit dem ein größtmöglicher Spielraum bei der Regelung der der Brennkraftmaschine zuzuführenden Gasmenge besteht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine beliebige Stellung zwischen zwei Endstellungen einstellender Steller vorhanden ist, der mit einer Betriebspunkt-Stelleinrichtung oder der Differenzdruck-Stelleinrichtung oder dem Sitzring verbunden ist bzw. diese Teile verstellt. Ist der Steller mit der Betriebspunkt-Stelleinrichtung verbunden, ist der Betriebspunkt individuell verstellbar und die Differenzdruck-Stelleinrichtung kann im Bereich des jeweiligen Betriebspunktes sehr genau die der Brennkraftmaschine zuzuführende Gasmenge einstellen. Vorteilhaft ist es auch, wenn der Steller direkt mit der Differenzdruck-Stelleinrichtung verbunden ist. In diesem Fall kann auf die Betriebspunkt-Stelleinrichtung verzichtet werden und der Steller steuert direkt die Differenzdruck-Stelleinrichtung an. Grundsätzlich könnte bei dieser Ausführung auf die eigentlichen Bauteile (beispielsweise Membran und Membranteller) der Differenzdruck-Stelleinrichtung verzichtet werden. Es ist aber vorteilhaft, diese Bauteile beizubehalten, um beispielsweise bei Ausfall des Stellers noch eine eingeschränkte Regelung des der Brennkraftmaschine zuzuführenden Gases vornehmen zu können. Dabei ist es bei einem Ausfall des Stellers so, dass die Differenzdruck-Stelleinrichtung in geeigneter Weise von dem Steller entkoppelt wird und somit ungehindert arbeiten kann. Im Übrigen ist auch bei Ausfall des mit der Betriebspunkt-Stelleinrichtung verbundenen Stellers ein eingeschränkter Betrieb der Brennkraftmaschine möglich, wenn sichergestellt ist, dass für einen solchen Fall die Betriebspunkt-Stelleinrichtung in eine definierte Stellung verfährt und die Differenzdruck-Stelleinrichtung den gesamten Betriebsbereich abdeckt. Insbesondere alternativ zu der Einwirkung des Stellers auf die Differenzdruck-Stelleinrichtung kann der Steller mit dem Sitzring zusammenwirken und diesen in Bezug zu dem Ventilstellglied verstellen.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Steller bevorzugt ein Elektrosteller, beispielsweise ein Drosselklappensteller. Solche Steller stehen zur Verfügung und zeichnen sich durch hohe Verstellgeschwindigkeiten aus. Es ist somit möglich, sehr schnell, beispielsweise auf Laständerung beispielsweise an einem von der Brennkraftmaschine angetriebenen Generator, zu reagieren und die dem Lastpunkt entsprechende Einstellung der Brennkraftmaschine vorzunehmen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektrosteller mit einer Einrichtung ausgestattet, die ein Rückführsignal abgibt. Dieses Rückführsignal gibt die augenblickliche Position des Elektrostellers wieder und es kann somit ein noch schnelleres Anfahren einer bestimmten Position, die beispielsweise einem Betriebspunkt entspricht, vorgenommen werden.

Der Steller ist bevorzugt kennlinien- oder kennfeldgesteuert, wobei die Kennlinien bzw. das Kennfeld durch stationäre Messungen, beispielsweise an einer Prüfstands-Brennkraftmaschine, ermittelt werden können. Sodann lässt sich die maximal zulässige Öffnung des Gasdruck-Regelventils lastabhängig aus einem solchen Kennfeld oder einer Kennlinie ableiten und bei Lastaufschaltungen kann ein Betrieb der Brennkraftmaschine an der Klopfgrenze zugelassen werden. Für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine gibt es somit eine maximal mögliche Anfettung des Gemisches, das mit zunehmender Last abnimmt. Erreicht wird somit eine Verkürzung der Ausregelzeit der Brennkraftmaschine bzw. eine Erhöhung der maximal möglichen Lastaufschaltung.

Bei Lastabschaltungen wird das maximal zulässige Schließen des Gasdruck-Regelventils wiederum lastabhängig aus einem Kennfeld oder einer Kennlinie abgeleitet und lässt somit einen Betrieb der Brennkraftmaschine an der Aussetzergrenze zu. Diese Grenze wird ebenfalls beispielsweise an einer Prüfstands-Brennkraftmaschine ermittelt. Für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine gibt es somit auch eine maximal mögliche Abmagerung des Gemisches. Auch in diesem Falle wird eine Verkürzung der Ausregelzeit der Brennkraftmaschine erreicht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der zwei in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.
Es zeigen:
1 ein Gasdruck-Regelventil mit einem auf eine Betriebspunkt-Stelleinrichtung einwirkenden Steller und
2 ein Gasdruck-Regelventil mit einem auf die Differenzdruck-Stelleinrichtung einwirkenden Steller.
Das Gasdruck-Regelventil 1a nach 1 sowie auch das Gasdruck-Regelventil 1b gemäß 2 werden zur Reglung der beispielsweise einem Gasmischer einer Gas-Luft-betriebenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine zuzuführenden Gasmenge eingesetzt. Diese Brennkraftmaschine ist beispielsweise als stationäre Brennkraftmaschine eingesetzt und mit einem Generator gekuppelt. Der Generator deckt entsprechend seinen Leistungsdaten einen definierten Leistungsbereich ab, indem er entsprechend den Anforderungen beispielsweise des elektrischen Netzes oder einzelner Verbraucher elektrische Leistung abgibt. Es wird im Rahmen der Erfindung gefordert, einen schlagartig erfolgenden Wechsel der Leistungsanforderungen an den Generator im Bereich von Leerlauf bis Volllast und umgekehrt durch das elektrische Netz (Lastaufschaltung oder Lastabschaltung) zuzulassen. Um demzufolge Störungen in dem elektrischen Netz zu vermeiden, muss die Brennkraftmaschine sehr schnell an unterschiedliche Betriebspunkte herangeführt werden.
Ausweislich beider Figuren weist das Gasdruck-Regelventil 1a, 1b ein Ventilgehäuse 2 mit einem durch Pfeile 3 gekennzeichneten Gasfluss durch das Ventilgehäuse 2 auf. Das Gas gelangt von einer Gasquelle 4 in den eingangsseitigen Bereich des Ventilgehäuses und entspre chend der Stellung eines Ventilstellglieds 7 in den ausgangsseitigen Bereich. Der ausgangsseitige Bereich des Gasdruck-Regelventils 1a, 1b ist über eine Ausgangsleitung beispielsweise mit dem Gasmischer oder direkt mit der Brennkraftmaschine verbunden. Bei Verwendung eines Gasmischers kann dieser beliebig ausgebildet sein. Wird das Gas der Brennkraftmaschine direkt zugeführt, kann es beispielsweise direkt in die Ansaugleitung oder Ladeluftleitung eingeleitet werden.
Die tatsächlich durch das Gasdruck-Regelventil 1a, 1b strömende Gasmenge wird also von dem von einer Ventilstange 5 betätigten und mit einem Sitzring 6 zusammenwirkenden Ventilstellglied 7 eingestellt.
Diese Einstellung beziehungsweise Regelung der Gasmenge erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 mit einer Betriebspunkt-Stelleinrichtung 8 und einer Differenzdruck-Stelleinrichtung 9. Die Differenzdruck-Stelleinrichtung weist eine in einem Membrangehäuse angeordnete Membran 11 auf, die mit einem Membranteller 12 verbunden ist, der wiederum mit der Ventilstange 5 verbunden ist. Die Membran 11 teilt zusammen mit dem Membranteller 12 den Innenraum des Membrangehäuses 10 in einen Druckraum 13a und einen Druckraum 13b auf. Der Druckraum 13a kann über eine Druckleitung 14 direkt oder indirekt mit der Ladegemisch-Leitung der Brennkraftmaschine verbunden sein, während der Druckraum 13b über eine Leitung 15 mit der Ausgangsleitung des Gasdruck-Regelventils 1a verschaltet ist. Alternativ ist der Druckraum 13a gegen Atmosphäre oder nach Luftfilter (vor dem Gasmischer) geschaltet. Dies wurde früher angewendet, um gleichen Druck auf Luft und Gasseite zu haben.
Der Membranteller 12 ist in dem Druckraum 13a von einer Unterdruck-Sollwertfeder 16 und in dem Druckraum 13b von einer Überdruck-Sollwertfeder 17 druckbeaufschlagt. Die Unterdruck-Sollwertfeder 16 kann auch durch ein Gewicht ersetzt werden, wenn das Gas druck-Regelventil 1a hängend eingebaut ist. Die Vorspannung der Überdruck-Sollwertfeder 17 ist von der Betriebspunkt-Stelleinrichtung 8 einstellbar. Hierzu weist die Betriebspunkt-Stelleinrichtung einen Anschlagteller 18 auf, gegen den sich die Überdruck-Sollwertfeder 17 gegenüberliegend zu dem Membranteller 12 abstützt. Der Anschlagteller 18 ist von einer Kolbenstange 19 verstellbar, wobei die Kolbenstange 19 mit einem Steller 20 verschaltet ist. Der Steller 20 ist bevorzugt ein Drosselklappensteller und weist einen Stellarm 21 auf, der entsprechend der dargestellten Drehpfeile schnell verstellt werden kann. Damit ist es möglich, den Anschlagteller 18 in beliebige Stellungen zwischen zwei Endstellungen zu verstellen und somit die Vorspannung der Überdruck-Sollwertfeder 17 zwischen zwei Endwerten beliebig einzustellen. Dementsprechend lassen sich beliebige Betriebspunkte einstellen und mit der Differenzdruck-Stelleinrichtung 9 kann in einem eingestellten Betriebspunkt wesentlich genauer die der Brennkraftmaschine zuzuführende Gasmenge eingestellt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Differenzdruck-Stelleinrichtung 9 prinzipiell genauso ausgebildet wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, nur stützt sich die Überdruck-Sollwertfeder 17 nicht an einem Anschlagteller 18 ab sondern direkt an einem Fortsatz des Membrangehäuses 10. Weiterhin ist der Membranteller 12 gegenüberliegend zu der Ventilstange 5 mit einer Verstellstange 22 fest verbunden. Der Stellarm 21 des Stellers 20 ist bei dieser Ausführungsform mit der Verstellstange 22 verbunden und kann demzufolge diese zwischen zwei Endstellungen beliebig verfahren. Bei einem Ausfall des Stellers 20 ist der Stellarm 21 freigängig und das Gasdruck-Regelventil 1b wird alleinig von der Differenzdruck-Stelleinrichtung 9 betätigt.
Durch die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen beziehungsweise Verfahren zur Regelung wird eine Regelzeit (Einstellung eines neuen Betriebspunktes) zwischen Nulllast und Volllast im Bereich von Milli sekunden gewährleistet. Mit herkömmlichen Systemen liegt die Regelzeit im Bereich von zweistelligen Sekundenzeiten, wobei darüber hinaus ein Lastwechsel zwischen Nulllast und Volllast nicht zugelassen war.

1a, 1b: Gasdruck-Regelventil
2: Ventilgehäuse
3: Pfeile
4: Gasquelle
5: Ventilstange
6: Sitzring
7: Ventilstellglied
8: Betriebspunkt-Stelleinrichtung
9: Differenzdruck-Stelleinrichtung
10: Membrangehäuse
11: Membran
12: Membranteller
13a: Druckraum
13b: Druckraum
14: Druckleitung
15: Leitung
16: Unterdruck-Sollwertfeder
17: Überdruck-Sollwertfeder
18: Anschlagteller
19: Kolbenstange
20: Steller
21: Stellarm
22: Verstellstange

Claims

Gasdruck-Regelventil zur Regelung der einer Gas-Luft-betriebenen Brennkraftmaschine zuzuführenden Gasmenge, wobei das Regelventil ein Ventilgehäuse mit einem von einer Ventilstange betätigten mit einem Sitzring zusammenwirkenden Ventilstellglied aufweist und die Ventilstange mit einer Differenzdruck-Stelleinrichtung wirkverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein beliebige Stellungen zwischen zwei Endstellungen einstellender Steller (20) vorhanden ist, der mit einer Betriebspunkt-Stelleinrichtung (8) oder der Differenzdruck-Stelleinrichtung (9) oder dem Sitzring (6) verbunden ist.
Gasdruck-Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steller (20) ein Elektrosteller ist.
Gasdruck-Regelventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrosteller ein Drosselklappensteller ist.
Gasdruck-Regelventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrosteller mit einem Rückführsignal beaufschlagbar ist.
Gasdruck-Regelventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrosteller kennlinien- oder kennfeldgesteuert ist.
Verfahren zur Regelung eines Gasdruck-Regelventils für die einer Gas-Luft-betriebenen Brennkraftmaschine zuzuführende Gasmenge, wobei das Regelventil ein Ventilgehäuse mit einem von einer Ventilstange betätigten mit einem Sitzring zusammenwirkenden Ventilstellglied aufweist und die Ventilstange mit einer Differenzdruck-Stelleinrichtung wirkverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem beliebige Stellungen zwischen zwei Endstellungen einstellenden Steller (20) eine Betriebspunkt-Stelleinrichtung (8) oder die Differenzdruck-Stelleinrichtung (9) betätigt oder der Sitzring (6) verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steller (20) als Elektrosteller ausgebildet kennlinien- oder kennfeldgesteuert ist.