DE10048408A1 - Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführkreis (15), wobei die Leistungsfähigkeit eines Turboladers in einem breiten Motor-Drehzahlbereich angehoben ist, so dass das Abgas selbst dann rückgeführt werden kann, wenn der Druck im Ansaugkreis höher ist als im Abgaskreis. Zu diesem Zweck ist ein Ansaugdrosselventil (12e) mit einstellbarem Öffnungsgrad an der stromaufwärtigeren Seite relativ zu einer Abgasrückführstelle des Ansaugkreises (12) vorgesehen, oder ein verjüngter Abschnitt ist an der Abgasrückführposition des Ansaugkreises sowie ein Ansaugbypasskreis (12c) zum Umgehen des verjüngten Abschnittes vorgesehen. Überdies ist ein Ansaug- und Abgasbypasskreis (20) zum Anschließen des Ansaugkreises an den Abgaskreis (16) vorgesehen. Dann werden der Öffnungsgrad des Ansaugdrosselventiles oder des Ansaugbypasskreises eingestellt, um somit den Druck an der Abgasrückführkreisposition des Ansaugkreises niedriger zu setzen als in einem Abgaskrümmer (16a).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zur Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine und insbesondere eine Abgasrückführ-Steuervorrichtung für einen Motor mit einem Turbolader.
Die Abgasrückführung (EGR) als ein Verfahren zur Reduzierung der in einem Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen schädlichen Bestandteile ist heute gut bekannt und aufgrund der immer enger werdenden Umweltschutzbestimmungen gegen schädliche Abgas-Bestandteile einer Brennkraftmaschine auch weit verbreitet. Es funktioniert wie folgt. Ein Teil des von einer Brennkraftmaschine abgegebenen Abgases wird von einem Auspuff- Krümmer bzw. einer Abgasableitung an einen Ansaug-Krümmer gegeben und mit Ansaugluft gemischt und die Mischung wird der Brennkammer erneut zugeführt, so dass sich die Konzentration an Sauerstoff in der Ansaugluft reduziert und eine Verbrennungstemperatur vermindert wird. Die Abgasrückführung (EGR - Exhaust Gas Recirculation) hat eine solch enorme Wirkung, dass das Erzeugen schädlicher Bestandteile in dem Abgas, insbesondere das Erzeugen von Stickoxyden (nachfolgend als NOx bezeichnet), unterdrückt wird.
Fig. 13 zeigt ein Diagramm eines Ansaug- und Abgaskreislaufs eines Motors 14 mit einem Turbolader, der einen herkömmlichen Abgasrückführkreis aufweist. Der Motor 14 weist hierbei auf: einen Turbolader 11; einen Ansaug-Kreis 12; einen Nachkühler 13; einen Abgasrückführkreis 15; einen Abgaskreis 16; und ein Abgasdrucksteuerventil 18. Die mittels eines Kompressors 11a verdichtete Ansaugluft des Turboladers 11 wird durch den Ansaugkreis 12 geführt, wird durch den in der Mitte des Kreislaufs 12 vorgesehenen Nachkühler 13 gekühlt und wird in einen Motorhauptkörper 14a durch einen Ansaug-Krümmer, bzw. eine Ansaugleitung 12a geführt.
Das von dem Motorhauptkörper 14a abgegebene Abgas strömt durch den Abgaskreis 16 in den Turbolader 11, um eine Turbine 11b anzutreiben, wonach es dann freigesetzt wird. Das Abgasdrucksteuerventil 18, das eine Einstellung eines Auslassdrucks in der Turbine 11b ermöglicht, ist für den Ausgang der Turbine 11b vorgesehen. Der Abgas-Rückführkreis 15 ist mittels eines Rohrabzweiges derart angeschlossen, dass das eine Ende in der Nähe eines Abgas-Krümmers (Abgasmehrabzweig) 16a des Abgaskreises 16 angeschlossen und das andere Ende in der Nähe des Ansaug-Krümmmers (Ansaug-Rohrabzweig) 12a des Ansaugkreises 12 angeschlossen ist. Der Abgas-Rückführkreis 15 hat: ein EGR-Ventil 15c, dessen Öffnungsgrad steuerbar ist, so dass der Abgas-Rückführkreis 15 geöffnet und geschlossen werden kann; und einen EGR-Kühler 15b, um das rückgeführte Abgas zu kühlen. Beim Rückführen des Abgases wird das EGR-Ventil 15c zunächst geöffnet. Ein Teil des Abgases wird in dem Abgaskreis 16 abgeschieden und durch den EGR-Kühler 15b gekühlt, wonach es mit der Ansaugluft in dem Ansaugkreis 12 gemischt wird. Die Mischung wird in den Motor-Hauptkörper 14a geführt.
Der oben beschriebene Ansaug- und Abgaskreis hat jedoch folgende Nachteile.
  • 1. Wenn der Motor 14 unter bestimmten Bedingungen läuft, beispielsweise bei einer mittleren oder hohen Geschwindigkeit unter hoher Belastung, ist der Druck im Ansaug-Krümmer 12a in einigen Fällen höher als in dem Abgas-Krümmer 16a. Im Allgemeinen liegt der Grund darin, dass der Motor für regelmäßig verwendete Fahrzuständen ausgelegt ist, um die Leistungsfähigkeit des Motors zu erhöhen und eine höhere Leistung und geringeren Treibstoffverbrauch zu erzielen. Ist nun der Druck auf der Ansaugseite höher als der Druck auf der Abgasseite, wird ein Ansaug- und Abgaswiderstand geringer, der zu einem Leistungsverlust führt. Da das Abgas nicht rückgeführt wird, kann in diesem Fall der in dem Abgas enthaltene schädliche Anteil nicht reduziert werden. Das Abgas wird nur unter solchen Fahrzuständen rückgeführt, bei denen der Druck in dem Ansaug-Krümmer 12a geringer ist als in dem Abgas-Krümmer 16a, beispielsweise während einer Fahrt bei geringer Geschwindigkeit unter geringer Belastung. Demgemäß sind die Fahrzustände beschränkt, bei denen der Abgasrückführkreis in Gang gesetzt ist, um eine Reduzierung der schädlichen Bestandteile in dem Abgas zu ermöglichen.
  • 2. Wenn die Menge des rückgeführten Abgases des Abgaskreises in Verbindung mit einer Veränderung des Öffnungsgrades des EGR- Ventils 15c wächst oder abnimmt, schwankt die dem Motorhauptkörper 14a zuzuführende Ansaug-Strömungsrate aufgrund einer Druckschwankung in dem Ansaug-Krümmer 12a. Wenn die Ansaug-Strömungsrate schwankt, schwankt die zur Verbrennung verwendete Menge an Sauerstoff und ein stabiler Verbrennungszustand kann nicht erhalten werden, so dass die Drehzahl des Motors variiert.
Um obiges Problem (1) zu lösen, ist ein Verfahren zum Drosseln des Abgasdrucksteuerventils 18 als ein Verfahren zum Anheben des Drucks im Abgas-Krümmer 16a gegenüber dem Druck im Ansaug- Krümmer 12a bekannt, wodurch ein Kreislauf des Abgases realisiert wird. Gemäß dem Verfahren wird das Abgasdrucksteuerventil 18 in einen Drosselzustand gebracht, um den Auslassdruck der Turbine 11b anzuheben, so dass der Druck im Abgas-Krümmer 16a, der stromaufwärts der Turbine 11b angeordnet ist, angehoben wird, so dass selbst wenn der Motor 14 bei einer mittleren Geschwindigkeit oder unter mittlerer Belastung läuft, das Abgas zirkulieren kann.
Jedoch sind die Antriebszustände des Motors 14 begrenzt, bei denen die Zirkulation des Abgases durch ein derartiges Verfahren ausführbar ist. Wenn der Druck in dem Abgas-Krümmer 16a übermäßig angehoben wird, nimmt die Abgas- Leistungsfähigkeit des Motors 14 ab, so dass sich der Kraftstoffverbrauch verschlechtert. Demgemäß kann der Druck in dem Abgas-Krümmer 16a nur in einem solchen Maß angehoben werden, bei dem eine Verschlechterung im Treibstoffverbrauch annehmbar ist. So ist zwar der Bereich der Antriebszustände des Motors 14, bei denen die Zirkulation des Abgases ausgeführt werden kann, breiter als bei einem Motor ohne Abgasdrucksteuerventil 18, jedoch ist dieser nichtsdestotrotz auf einen engen Bereich begrenzt.
Gemäß der Erfindung ist es eine Aufgabe obige Probleme zu lösen und eine Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, mit der Abgas unter Fahrbedingungen in einem derart breiten Bereich von einem Niedrig-Geschwindigkeitsbereich und einem Niedrig- Belastungsbereich bis zu einem Hochgeschwindigkeits- und Hochbelastungsbereich rückgeführt werden kann, und überdies Drehzahl-Schwankungen so weit wie möglich unterdrückt werden können, die aus einem Umschalten in der Rückführung des Abgases resultieren.
Zur Lösung obiger Aufgabe ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, bei der ein Turbolader und ein Abgasrückführkreis zwischen einem Ansaugkreis und einem Abgaskreis vorgesehen sind, welcher Abgasrückführkreis durch Abgasrückführschaltventile geöffnet werden kann, und welcher aufweist: einen Ansaug- und Abgas-Bypasskreis zum Anschließen der stromabwärtigen Seite eines Kompressors an die stromaufwärtige Seite einer Turbine des Turboladers; und ein Ansaug- und Abgas-Bypassventil, dessen Öffnungsgrad variiert werden kann, so dass der Ansaug- und Abgas-Bypasskreis geöffnet und geschlossen werden kann, wobei ein Ansaug-Drosselventil auf der stromaufwärtigen Seite an der Position des Ansaugkreises vorgesehen ist, wo der Abgasrückführkreis in einem Rohrabzweig angeschlossen ist, wobei das Ansaug-Drosselventil einen variierbaren Öffnungsgrad hat, so dass der Ansaugkreis geöffnet und geschlossen werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist einem Teil des Abgases erlaubt, durch den Ansaug- und Abgas-Bypasskreis hindurch in den Abgaskreis zu strömen, dessen Strömungsrate gleichzeitig durch das Ansaug- und Abgas-Bypassventil eingestellt werden kann, wobei ein Druckverlust in dem Ansaugkreis durch das Ansaug-Drosselventil erzeugt werden kann.
Selbst unter solchen Fahrzuständen, bei denen eine Rückführung des Abgases nicht ausgeführt werden kann, weil der Druck in dem Ansaugkreis höher ist als im Abgaskreis, wird der Druck in dem Ansaug-Krümmer reduziert, um so unter den Druck in dem Abgas- Krümmer zu fallen, so dass das Abgas rückgeführt werden kann. Demgemäß wird unter Fahrzuständen innerhalb eines weiten Bereichs von einem Niedrig-Geschwindigkeits- und Niedrig- Belastungsbereich bis zum Hochgeschwindigkeits- und Hochbelastungsbereich eine Abgasrückführung in Gang gesetzt, so dass der schädliche Anteil in dem Abgas reduziert werden kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, in dem zwischen einem Ansaugkreis und einem Abgaskreis ein Turbolader und ein Abgasrückführkreis vorgesehen sind, der durch Abgasrückführschaltventile geöffnet werden kann, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Ansaug- und Abgas-Bypasskreis zum Anschließen der stromabwärtigen Seite eines Kompressors an die stromaufwärtige Seite einer Turbine des Turboladers; und ein Ansaug- und Abgas-Bypassventil, dessen Öffnungsgrad variiert werden kann, so dass der Ansaug- und Abgas-Bypasskreis geöffnet und geschlossen werden kann, wobei ein verjüngter Abschnitt an der Position des Ansaugkreises vorgesehen ist, an der der Abgasrückführkreis mit einem Rohrabzweig angeschlossen ist.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist es einem Teil des Abgases erlaubt, durch den Ansaug- und Abgas-Bypasskreis in den Abgaskreis zu strömen, wobei gleichzeitig dessen Strömungsrate durch das Ansaug- und Abgas-Bypassventil eingestellt werden kann und eine Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft durch den verjüngten Abschnitt des Ansaugkreises angehoben wird, um einen partiellen Druckabfall zu ermöglichen. Selbst unter solchen Fahrzuständen, bei denen die Zirkulation des Abgases nicht ausgeführt werden kann, weil der Druck in dem Ansaugkreis höher ist als der Druck in dem Abgaskreis, kann eine Druckabnahme in dem verjüngten Abschnitt verwendet werden, um eine Abgasrückführung zu ermöglichen. Demgemäß wird eine Abgasrückführung unter Fahrzuständen innerhalb eines derart breiten Bereiches von einem Niedrig-Geschwindigkeits- und Niedrigbelastungsbereich bis zu einem Hochgeschwindigkeits- und Hochbelastungsbereich in Gang gesetzt, so dass der schädliche Anteil in dem Abgas reduziert werden kann.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein verjüngter Abschnitt an der Position des Ansaugkreises in der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen, an welchem Abschnitt der Abgasrückführkreis durch ein Rohrabzweig angeschlossen ist.
Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung sind beide Eigenschaften des ersten und zweiten Aspekts der Erfindung vorgesehen. Demzufolge wird eine Abgasrückführung innerhalb eines breiteren Bereiches an Fahrzuständen in Gang gesetzt, um den schädlichen Anteil in dem Abgas zu reduzieren.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung sind in der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine gemäß dem ersten oder dritten Aspekt der Erfindung Messaufnehmer zum Aufnehmen von Antriebszuständen der Brennkraftmaschine sowie eines NOx-Abgasbetrages vorgesehen; eine Speichervorrichtung zum vorherigen Speichern eines NOx- Sollbetrags für die Fahrzustände der Brennkraftmaschine; und eine Steuervorrichtung zum Steuern des Ventilöffnungsgrades für sowohl das Ansaug- und Abgas-Bypassventil als auch das Abgas- Drosselventil gemäß den Antriebszuständen der Brennkraftmaschine, so dass die durch die Messaufnehmervorrichtung gemessene NOx-Menge der Brennkraftmaschine der durch die Speichervorrichtung gespeicherten NOx-Abgas-Sollmenge entspricht.
Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird eine Abgasrückführung innerhalb eines breiten Breiches an Antriebszuständen der Brennkraftmaschine in Gang gesetzt, wodurch eine Reduzierung des schädlichen Anteils im Abgas ermöglicht wird. Da der Ventilöffnungsgrad von dem Ansaug- und Abgas-Bypassventil und dem Ansaug-Drosselventil entsprechend dem Antriebszustand der Brennkraftmaschine gesteuert wird, wird überdies eine Abgasrückführung selbst unter einer derartigen Verwendung in Gang gesetzt, bei der die Antriebszustände der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise die Drehzahl und Belastungen momentan verändert werden, so dass die Abgasmenge an NOx an einen Sollwert angeglichen wird, so dass eine genaue Steuerung zur Reduzierung der NOx-Menge im Abgas ausgeführt werden kann.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung ist in der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen: ein Ansaug-Bypasskreis zum Umgehen des verjüngten Abschnitts des Ansaugkreises und ein Ansaug-Bypassventil, dessen Öffnungsbereich variiert werden kann, so dass der Ansaug-Bypasskreis geöffnet und geschlossen werden kann.
Gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung kann zusätzlich zu dem zweiten Aspekt der Erfindung dem Motorhauptkörper die Ansaugluft durch den Ansaug-Bypasskreis zugeführt werden, ohne diese durch den verjüngten Abschnitt zu führen. Demzufolge wird, wenn das Abgas ohne Abhängigkeit von der Verwendung des verjüngten Abschnitts zur Reduzierung des Drucks rückgeführt wird oder wenn die Zirkulation des Abgases nicht benötigt wird, die Ansaugluft dem Motorhauptkörper durch den Ansaug- Bypasskreis zugeführt, so dass eine Abnahme der Motorleistungsfähigkeit aufgrund des Widerstands an dem verjüngten Abschnitt verhindert werden kann. Die Strömungsrate der durch den verjüngten Abschnitt geführten Ansaugluft kann durch Steuern des Öffnungsgrades des Ansaug-Bypassventils eingestellt werden, so dass der Ansaugdruck des verjüngten Abschnitts unabhängiger eingestellt werden kann. Deshalb wird der Abgasrückführkreis bezogen auf den dritten Aspekt der Erfindung innerhalb eines breiteren Bereiches an Antriebszuständen der Brennkraftmaschine betrieben, so dass der schädliche Anteil in dem Abgas reduziert werden kann.
Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung, ist gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung in der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine vorgesehen: eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der Antriebszustände der Brennkraftmaschine einschließlich einer NOx-Abgasmenge; eine Speichervorrichtung zum vorherigen Speichern eines Sollwertes einer NOx-Abgasmenge für die Antriebszustände der Brennkraftmaschine; und eine Steuervorrichtung zum Steuern des Ventilöffnungsgrades des Ansaug- und Abgas-Bypassventils und des Ansaug-Drosselventils gemäß den Antriebszuständen der Brennkraftmaschine, so dass die durch die Messaufnahmevorrichtung aufgenommene NOx-Abgasmenge der Brennkraftmaschine der NOx-Abgas-Sollmenge entspricht, die durch die Speichervorrichtung gespeichert ist.
Gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung wird der Ventilöffnungsgrad des Ansaug- und Abgas-Bypassventils und des Ansaug-Drosselventils zusätzlich zum fünften Aspekt der Erfindung gemäß den Antriebszuständen der Brennkraftmaschine gesteuert. Deshalb wird eine Abgasrückführung unter solchen Antriebszuständen in Gang gesetzt, bei denen sich beispielsweise die Drehzahl und Belastungen momentan ändern, so dass die Abgasmenge an NOx einem Sollwert angeglichen wird, so dass eine genaue Steuerung zur Reduzierung der Abgasmenge an NOx ausgeführt werden kann. Der Öffnungsgrad des Ansaug- Bypassventils wird eingestellt, um die Strömungsrate der durch den verjüngten Abschnitt strömenden Ansaugluft zu steuern, so dass der Ansaugluftdruck an dem verjüngten Abschnitt unabhängiger eingestellt werden kann. Deshalb wird eine Abgasrückführung bezogen auf den vierten Aspekt der Erfindung innerhalb eines breiteren Bereiches von Antriebszuständen der Brennkraftmaschine betrieben, um eine Reduzierung des schädlichen Anteils im Abgas zu ermöglichen.
Gemäß einem siebten Aspekt der Erfindung ist in der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung vorgesehen: eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der Antriebszustände der Brennkraftmaschine einschließlich einer NOx-Abgasmenge; eine Speichervorrichtung zum vorherigen Speichern eines NOx-Abgas-Sollwertes für die Antriebszustände der Brennkraftmaschine; und eine Steuervorrichtung zum Steuern in einer derartigen Weise, dass wenn die Brennkraftmaschine bei einer hohen Geschwindigkeit und unter hoher Belastung betrieben wird und das Ansaug- und Abgas- Bypassventil im Wesentlichen geschlossen sind, der Öffnungsgrad des Ansaug-Bypassventils gesteuert wird, so dass die durch die Messaufnehmervorrichtung aufgenommene Abgasmenge der Brennkraftmaschine der NOx-Abgas-Sollmenge entspricht, die durch die Speichervorrichtung gespeichert ist, und wenn die Brennkraftmaschine bei einer mittleren Geschwindigkeit unter hoher Belastung betrieben wird, das Ansaug-Bypassventil im Wesentlichen geschlossen ist, während das Ansaug- und Abgas- Bypassventil im Wesentlichen geöffnet ist.
Zusätzlich zum fünften Aspekt der Erfindung ist gemäß dem siebten Aspekt der Erfindung während dem Antrieb bei hoher Geschwindigkeit unter hoher Belastung, während denen die Ansaugströmungsrate groß ist, die Arbeitsweise des verjüngten Abschnitts bedeutsam und das Abgas kann ohne in dem Ansaug- und Abgas-Bypass zu strömen rückgeführt werden, da das Ansaug- und Abgas-Bypassventil geschlossen ist, und eine Reduktion in der Aufnahmeleistungsfähigkeit der Ansaugluft kann aufgrund der Ansaug- und Abgas-Bypassströmung unterdrückt werden. Deshalb ist der Kraftstoffverbrauch während des Antriebes der Brennkraftmaschine bei einer hohen Geschwindigkeit verbessert. Während des Antriebes bei einer mittleren Geschwindigkeit unter hoher Belastung, bei dem die Ansaugströmungsrate reduziert und die Arbeitsweise des verjüngten Abschnitts verschlechtert ist, wird das Ansaug-Bypassventil im Wesentlichen geschlossen und die Gesamtmenge der Ansaugströmung wird an den verjüngten Abschnitt geführt, um den Druck am verjüngten Abschnitt zu reduzieren, und gleichzeitig wird das Ansaug- und Abgas- Bypassventil so weit wie möglich geöffnet, um den Druck im Ansaugkreis zu reduzieren, so dass der synergetische Effekt auftritt. Deshalb ist die EGR-Rate auf den Maximalwert erhöht und die NOx-Abgasmenge ist auf einen Minimalwert abgesenkt.
Gemäß einem achten Aspekt der Erfindung ist in der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine gemäß dem ersten oder dritten Aspekt der Erfindung vorgesehen: eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der Antriebszustände der Brennkraftmaschine einschließlich der EGR-Rate; eine Speichervorrichtung zum vorhergehenden Speichern eines Sollwertes der EGR-Rate für die Antriebszustände der Brennkraftmaschine; und eine Steuervorrichtung zum Steuern des Ventilöffnungsgrades von sowohl dem Ansaug- und Abgas-Bypassventil als auch dem Ansaug- Drosselventil gemäß den Antriebszuständen der Brennkraftmaschine, um so die durch die Messaufnehmervorrichtung aufgenommene EGR-Rate der Brennkraftmaschine an die EGR-Soll-Rate anzugleichen, die durch die Speichervorrichtung gespeichert ist.
Gemäß dem achten Aspekt der Erfindung wird eine Abgasrückführung innerhalb eines breiten Bereichs an Antriebszuständen der Brennkraftmaschine in Gang gesetzt, um den schädlichen Anteil im Abgas zu reduzieren. Zusätzlich wird der Ventilöffnungsgrad von sowohl dem Ansaug- und Abgas- Bypassventil als auch dem Ansaug-Drosselventil entsprechend der Antriebszustände der Brennkraftmaschine gesteuert. Deshalb wird eine Abgasrückführung selbst unter einer derartigen Verwendung in Gang gesetzt, bei der die Antriebszustände der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise die Drehzahl und die Belastungen, momentan verändert werden, so dass die Menge von NOx im Abgas an den Sollwert angeglichen wird, in dem die EGR- Rate dem Sollwert angeglichen wird, so dass eine genaue Steuerung zur Reduzierung der Abgasmenge an NOx ausgeführt werden kann. Überdies wird die EGR-Rate anstelle der NOx- Abgasmenge als eine steuerbare Variable verwendet, so dass die teuere NOx-Messaufnehmervorrichtung nicht benötigt wird und die Kosten dadurch reduziert sind.
Gemäß einem neunten Aspekt der Erfindung ist in der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung vorgesehen: eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der Antriebszustände der Brennkraftmaschine einschließlich der EGR- Rate; eine Speichervorrichtung zum vorhergehenden Speichern eines Sollwertes der EGR-Rate für die Antriebszustände der Brennkraftmaschine; und eine Steuervorrichtung zum Steuern des Ventilöffnungsgrades von sowohl dem Ansaug- und dem Abgas- Bypassventil als auch dem Ansaug-Bypassventil gemäß den Antriebszuständen der Brennkraftmaschine, so dass die durch die Messaufnehmervorrichtung aufgenommene EGR-Rate der Brennkraftmaschine der durch die Speichervorrichtung gespeicherten EGR-Soll-Rate entspricht.
Zusätzlich zu der Tatsache, dass eine Abgasrückführung innerhalb eines breiten Bereiches an Antriebszuständen der Brennkraftmaschine in Gang gesetzt wird, um den schädlichen Anteil in dem Abgas zu reduzieren, wird gemäß dem neunten Aspekt der Erfindung der Ventilöffnungsgrad von sowohl dem Ansaug- und Abgas-Bypassventil als auch dem Ansaug-Bypassventil entsprechend den Antriebszuständen der Brennkraftmaschine gesteuert. Demgemäß wird selbst unter einer derartigen Verwendung, bei der die Antriebszustände der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise die Drehzahl und Belastungen momentan verändert werden, eine Abgasrückführung in Gang gesetzt, so dass die Abgasmenge an NOx dem Sollwert angeglichen wird, indem die EGR-Rate an den Sollwert angeglichen wird, so dass eine genaue Steuerung zum Reduzieren der Abgasmenge an NOx ausgeführt werden kann. Überdies wird anstatt der NOx-Abgasmenge die EGR-Rate als eine gesteuerte Variable verwendet, so dass die teuere NOx- Messaufnehmervorrichtung nicht benötigt wird und die Kosten dadurch reduziert sind. Die Strömungsrate der durch den verjüngten Abschnitt geführten Luft kann durch Steuern der Öffnung des Ansaug-Bypassventils eingestellt werden, so dass der Ansaugdruck am verjüngten Abschnitt unabhängiger eingestellt werden kann. So wird eine Abgasrückführung bezogen auf den achten Aspekt innerhalb eines breiteren Bereichs an Antriebszuständen der Brennkraftmaschine in Gang gesetzt, so dass der schädliche Anteil im Abgas reduziert werden kann.
Gemäß einem zehnten Aspekt der Erfindung ist in der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung vorgesehen: eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der Antriebszustände der Brennkraftmaschine einschließlich einer EGR-Rate; eine Speichervorrichtung zum vorherigen Speichern eines Sollwertes der EGR-Rate für die Antriebszustände der Brennkraftmaschine; und eine Steuervorrichtung zum Steuern des Öffnungsgrades des Ansaug-Bypassventils derart, dass wenn die Brennkraftmaschine bei hoher Geschwindigkeit unter hoher Belastung betrieben wird und während das Ansaug- und Abgas- Bypassventil im Wesentlichen geschlossen ist, die durch die Messaufnehmervorrichtung aufgenommene EGR-Rate der Brennkraftmaschine der EGR-Soll-Rate entspricht, und das Ansaug-Bypassventil im Wesentlichen geschlossen ist, wenn die Brennkraftmaschine bei einer mittleren Geschwindigkeit unter hoher Belastung läuft, während das Ansaug- und Abgas- Bypassventil im Wesentlichen vollständig geöffnet ist.
Zusätzlich zum fünften Aspekt der Erfindung tritt gemäß dem zehnten Aspekt der Erfindung während dem Antrieb bei einer hohen Geschwindigkeit unter hoher Belastung, während denen die Ansaug-Strömungsrate hoch ist, die Wirkung des verjüngten Abschnitts bedeutend hervor, und selbst wenn keine Strömung in dem Ansaug- und Abgas-Bypass vorliegt, kann die Rückführung des Abgases allein durch den oben erwähnten Effekt des verjüngten Abschnitts zur Reduzierung des Drucks ausgeführt werden, wenn das Ansaug- und Abgas-Bypassventil geschlossen ist, so dass eine Reduktion in der Aufnahmeleistungsfähigkeit der Ansaugluft aufgrund der Ansaug- und Abgas-Bypass-Strömung unterdrückt werden kann. Demzufolge ist der Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine während dem Antrieb bei einer hohen Geschwindigkeit verbessert. Während dem Antrieb bei einer mittleren Geschwindigkeit unter hoher Belastung, während dem die Ansaug-Strömungsrate vermindert und die Wirkung des verjüngten Abschnitts verschlechtert ist, ist das Ansaug- Bypassventil im Wesentlichen geschlossen und die gesamte Menge der Ansaugströmung wird an den verjüngten Abschnitt geführt, um den Druck in dem verjüngten Abschnitt zu reduzieren und gleichzeitig wird das Ansaug- und Abgas-Bypassventil so weit wie möglich geöffnet, um den Druck in dem Ansaugkreis zu reduzieren, so dass der synergetische Effekt erhalten werden kann. Demzufolge wird die EGR-Rate auf den Maximalwert angehoben und die NOx-Abgasmenge wird auf den Minimalwert abgesenkt. Überdies wird anstatt der NOx-Abgasmenge die EGR- Rate als eine gesteuerte Variable verwendet, so dass die teure NOx-Messaufnehmervorrichtung nicht benötigt wird, wodurch die Kosten reduziert sind.
Gemäß einem elften Aspekt der Erfindung ist in der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung der Erfindung gemäß einem des ersten bis dritten, fünften bis siebten, neunten und zehnten Aspekt vorgesehen: ein Turbinen-Bypasskreis zum Verbinden der stromaufwärtigen Seite mit der stromabwärtigen Seite der Turbine des Turboladers; und ein Ablass- Absperrventil, welches geöffnet wird, um den Turbinen- Bypasskreis zu öffnen, wenn der Druck eines Abgases auf der stromaufwärtigen Seite der Turbine gleich oder größer ist als ein vorbestimmter Wert.
Zusätzlich zu einem des ersten bis zehnten Aspektes der Erfindung ist gemäß dem elften Aspekt der Erfindung der Turbinen-Bypasskreis zum Verbinden der stromaufwärtigen Seite mit der stromabwärtigen Seite der Turbine des Turboladers vorgesehen. Wenn der Abgasdruck auf der stromaufwärtigen Seite der Turbine gleich oder größer ist als ein vorbestimmter Wert, wird das Abgas aus dem Turbinen-Bypasskreis an die stromabwärtige Seite der Turbine freigegeben. Demzufolge kann eine durch einen übermäßigen Anstieg des Abgasdrucks auf der stromaufwärtigen Seite der Turbine verursachte Reduktion in der Abgasleistung verhindert werden und der Brennstoffverbrauch ist verbessert.
Gemäß einem zwölften Aspekt der Erfindung ist in der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine gemäß dem ersten, zweiten, dritten oder fünften Aspekt der Erfindung das Ansaug- und Abgas-Bypassventil zwischen der stromabwärtigen Seite des Kompressors, der stromaufwärtigen Seite der Turbine und dem Abgasrückführkreis vorgesehen, welches Ventil ein Dreiwegeventil mit einer Schaltposition ist, an der eine Öffnung auf der stromabwärtigen Seite des Kompressors geschlossen ist, um die stromaufwärtige Seite der Turbine an den Abgasrückführkreis anzuschließen und mit einer Schaltposition, bei der eine Öffnung auf der Abgasrückführkreis-Seite geschlossen ist, um die stromabwärtige Seite des Kompressors an die stromaufwärtige Seite der Turbine anzuschließen, wobei überdies ein EGR-Kühler zum Kühlen des Abgases an der Position des Abgasrückführkreises vorgesehen ist, der relativ zur Position, an der Abgas von dem Dreiwegeventil zuströmt, stromaufwärtiger angeordnet ist.
Gemäß dem zwölften Aspekt der Erfindung werden zwei Ströme in der Abgaszirkulation gebildet, d. h. eine Abgasströmung, die direkt durch den Abgasrückführkreis zirkuliert und eine Abgasströmung, die durch das Dreiwegeventil zirkuliert. Das direkt durch den Abgasrückführkreis zirkulierende Abgas wird durch den EGR-Kühler gekühlt und das durch das Dreiwegeventil zirkulierende Abgas wird nicht gekühlt. Auf der Grundlage dieser Tatsache wird ein Verhältnis der Strömungsraten der beiden Abgaszirkulationsströme eingestellt, so dass eine Temperatur des an den Ansaugkreis rückzuführenden Abgases gesteuert werden kann. Demzufolge kann ein Verbessern des Verbrennungszustandes den abgegebenen schädlichen Anteil reduzieren. Gleichzeitig wird die Abgasströmungsrate, die durch den EGR-Kühler läuft abgesenkt, so dass die Wärmemenge minimiert werden kann, die von dem EGR-Kühler auf den Fahrzeugkörper übergeht. Demzufolge können Belastungen des Kühlsystems durch Verbessern des Wärmeausgleichs reduziert werden.
Gemäß einem dreizehnten Aspekt der Erfindung schließt das Dreiwegeventil in der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine gemäß dem zwölften Aspekt der Erfindung während dem Starten des Aufwärmens und dem Antrieb unter geringen Belastungen der Brennkraftmaschine die Öffnung an der stromabwärtigen Seite des Kompressors, um die stromaufwärtige Seite der Turbine an den Abgasrückführkreis anzuschließen, und während der anderen Antriebszustände der Brennkraftmaschine schließt das Dreiwegeventil die Öffnung auf der Abgasrückführkreis-Seite, um die stromabwärtige Seite des Kompressors an die stromaufwärtige Seite der Turbine anzuschließen.
Zusätzlich zum zwölften Aspekt der Erfindung schließt das Dreiwegeventil gemäß dem dreizehnten Aspekt der Erfindung während dem Starten eines Aufwärmens und dem Antrieb unter geringer Belastung der Brennkraftmaschine die Öffnung auf der stromabwärtigen Seite des Kompressors um die stromaufwärtige Seite der Turbine an den Abgasrückführkreis anzuschließen, so dass das Abgas, welches nicht durch den EGR-Kühler läuft, rückgeführt wird und die Temperatur des gesamten zirkulierenden Abgases erhöht und die Aufwärmzeit reduziert wird. Da ein Aufwärmen schneller ausgeführt wird, wird der während dem Starten bei einer geringen Temperatur erzeugte weiße Rauch (sein Hauptbestandteil ist Kohlenwasserstoff) reduziert. Überdies kann das Auftreten eines durch Überkühlen des Abgases durch den EGR-Kühler während dem Laufen unter geringer Belastung erzeugten Kondensats verhindert werden und überdies wird die durch den EGR-Kühler laufende Abgasströmungsrate abgesenkt, so dass die von dem EGR-Kühler an den Fahrzeugkörper abgegebene Wärmemenge minimiert wird. Durch Verbessern des Wärmeausgleichs können die Belastungen auf das Kühlsystem reduziert werden.
In der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine gemäß dem ersten, zweiten, dritten oder fünften Aspekt der Erfindung ist das Ansaug- und Abgas- Bypassventil gemäß einer vierzehnten Ausführungsform der Erfindung ein Rückschlagklappenventil, das nur die Strömung in einer Richtung von der stromabwärtigen Seite des Kompressors zur stromaufwärtigen Seite der Turbine gestattet.
Gemäß dem vierzehnten Aspekt der Erfindung sind die Kosten reduziert, da die Steuerung für die Strömungsrichtung des Ansaug- und Abgas-Bypasskreises durch die einfache Konstruktion, d. h. durch ein Rückschlagklappenventil, ausgeführt werden kann.
In der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine gemäß dem vierzehnten Aspekt der Erfindung ist der Ansaug- und Abgas-Bypasskreis zum Anschließen der stromabwärtigen Seite des Kompressors an die stromaufwärtige Seite der Turbine des Turboladers gemäß einem fünfzehnten Apekt der Erfindung zwischen einem Kompressorgehäuse und einem Turbinengehäuse des Turboladers vorgesehen.
Zusätzlich zu dem elften Aspekt der Erfindung, setzt sich der Ansaug- und Abgas-Bypasskreis gemäß dem fünfzehnten Aspekt der Erfindung einstückig mit dem Turbolader zusammen, da die Leitungen des Ansaug- und Abgas-Bypasskreises direkt an das Gehäuse des Turboladers angeschlossen sind, so dass der Zusammenbau und die Wartung verbessert sind. Da die Leitung verkürzt ist und die Ansaugluft problemlos in den Abgaskreis strömt, ist die Zuverlässigkeit des Ansaug- und Abgas- Bypasskreises verbessert und die Reduktionswirkung des Drucks im Ansaugkreis tritt deutlich hervor, so dass der freigegebene schädliche Bestandteil weiter reduziert wird.
In der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine gemäß einem der Aspekte 1 bis 3, 5 bis 7, 9 und 10 der Erfindung ist der Abgasdurchgang gemäß einem sechszehnten Aspekt der Erfindung von dem Abgas-Krümmer der Brennkraftmaschine zum Einlass des Turbogehäuses des Turboladers in eine Mehrzahl von Durchgängen unterteilt und sowohl der Abgasrückführkreis als auch der Ansaug- und Abgas- Bypasskreis sind an mindestens eine dieser unterteilten Abgasdurchführungen angeschlossen.
Zusätzlich zu den vorangehenden Aspekten der Erfindung können gemäß dem sechzehnten Aspekt der Erfindung eine Verschlechterung der Abgasleistungsfähigkeit aufgrund der Abgasüberlagerung zwischen den Zylindern durch Unterteilen der Abgasverbindungsgänge verhindert werden. Entweder ist nur der Abgasrückführkreis oder der Ansaug- und Abgas-Bypasskreis nicht an einen willkürlichen deru unterteilten Abgasverbindungsgänge angeschlossen. Mit anderen Worten sind entweder beide, d. h. der Abgasrückführkreis und der Ansaug- und Abgas-Bypasskreis an den unterteilten Abgasverbindungsgang angeschlossen, oder beide von ihnen sind nicht daran angeschlossen. Wenn der Abgasrückführkreis und der Ansaug- und Abgas-Bypasskreis jeweils an verschiedenen unterteilten Abgasverbindungsgängen angeschlossen sind, liegt die Anschlußstelle von der anderen Position entfernt, so dass ein derartiger Effekt, dass nämlich der Druck des Abgases durch den Ansaug- und Abgas-Bypass angehoben und das Abgas problemlos zirkuliert, verschlechtert ist. Ein derartiges Phänomen kann jedoch gemäß der Erfindung verhindert werden.
Überdies haben die Strömungsraten des von den unterteilten Abgasabzweigrohren an die Turbine des Turboladers geführten Abgases im Wesentlichen denselben Wert, da die Strömungsraten des an den Abgasrückführkreis abgegebenen Abgases im Wesentlichen der Strömungsrate des von dem Ansaug- und Abgas- Bypasskreis zugeführten Abgases entsprechen. Demzufolge kann die Zirkulation auch im Fall von unterteilten Abgasabzweiggängen durch die Arbeitsweise des Ansaug- und Abgas-Bypasskreises ausgeführt werden, und eine Reduktion der Leistungsfähigkeit des Turboladers aufgrund eines Ungleichgewichts der Abgasströmungsraten in den Durchgängen wird verhindert, so dass eine Verschlechterung des Treibstoffverbrauchs verhindert werden kann.
Gemäß einem siebzehnten Aspekt der Erfindung ist in der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine gemäß dem sechzehnten Aspekt die Position des Abgasdurchgangs, an dem der Abgasrückführkreis angeschlossen ist, an der stromaufwärtigen Seite an einer Position angeordnet, wo der Ansaug- und Abgas-Bypasskreis an dem Durchgang angeschlossen ist.
Zusätzlich zu dem sechzehnten Aspekt ist gemäß dem siebzehnten Aspekt ist bei einem willkürlichen Abgasdurchgang der unter­ teilten Abgasdurchgänge die Anschlußposition des Abgasrückführ­ kreises an der stromaufwärtigen Seite der Anschlußposition des Ansaug- und Abgas-Bypasskreises angeschlossen. Demgemäß kann ein derartiges Phänomen verhindert werden, dass ein Teil des von dem Ansaug- und Abgas-Bypasskreis in den Abgasdurchgang eingeführten Luftstromes durch den Abgasrückführkreis an den Ansaugkreis zurückgeführt wird.
Somit wird die Möglichkeit eliminiert, dass die Reduzierung des schädlichen Anteils in dem Abgas aufgrund des Mischens der Ansaugluft in den Abgasrückführkreis zunichte gemacht wird.
Gemäß einem achtzehnten Aspekt ist eine Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, bei der zwischen einem Ansaugkreis und einem Abgaskreis ein Turbolader und ein Abgasrückführkreis vorgesehen sind, welcher durch Abgasrückführschaltventile geöffnet werden kann, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Turbinen-Bypasskreis zum Verbinden der stromaufwärtigen Seite mit der stromabwärtigen Seite der Turbine des Turboladers; ein Ablaß-Absperrventil, das den Turbinen-Bypasskreis öffnen oder schließen kann, und dessen Öffnungsgrad steuerbar ist; und eine Steuervorrichtung zum Steuern der Ventilöffnung des Ablaß-Absperrventils gemäß den Antriebszuständen der Brennkraftmaschine und der EGR-Rate.
Gemäß einem neunzehnten Aspekt der Erfindung ist in der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine gemäß dem achtzehnten Aspekt vorgesehen: eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der Antriebszustände der Brennkraftmaschine; eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der EGR-Rate; eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen einer Ansaug- Strömungsrate; und eine Speichervorrichtung zum vorherigen Speichern einer Ansaug-Sollströmungsrate für die Antriebszustände der Brennkraftmaschine und der EGR-Rate, wobei die Steuerung für das Ablaß-Absperrventil durch die Steuervorrichtung zum Einstellen des Ventilöffnungsgrades des Ablaß-Absperrventils derart vorgesehen ist, dass eine Differenz zwischen der aufgenommenen Ansaugströmungsrate und der durch die Speichervorrichtung gespeicherten Soll-Strömungsrate einem vorbestimmten Wert entspricht oder niedriger als dieser ist.
Gemäß dem achtzehnten Aspekt steuert die Steuervorrichtung den Ventilöffnungsgrad des Ablaß-Absperrventils, um die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers zu steuern, so dass die Ansaugströmungsrate eingestellt werden kann. Überdies wird die Ansaug-Strömungsrate gemäß dem neunzehnten Aspekt eingestellt, wenn die Rückführmenge des Abgases schwankt, um zu ermöglichen, dass die Strömungsrate der an den Motorhauptkörper zugeführten Frischluft (nämlich nur der frischen Ansaug- Strömungsrate mit Ausnahme der Zirkulationsmenge des Abgases) im Wesentlichen konstant gehalten wird, so dass eine Schwankung in der Menge der verbrennbaren Frischluft zum Verbrennen unterdrückt werden kann. Demzufolge tritt keine Schwankung in der Rotationsgeschwindigkeit des Motors auf und ein gleichförmigerer Lauf des Motors wird realisiert.
Zusätzlich zu dem achtzehnten oder neunzehnten Aspekt wird einem Teil der Ansaugluft gemäß dem zwanzigsten Aspekt ermöglicht, durch den Ansaug- und Abgas-Bypasskreis in den Abgaskreis zu strömen, um den Druck im Abgas-Krümmer zu erhöhen, wobei gleichzeitig der Ventilöffnungsgrad des Ablaß- Absperrventils gesteuert wird, um die Ansaug-Strömungsrate einzustellen und den Druck im Ansaug-Krümmer zu reduzieren. Demzufolge wird selbst unter solchen Antriebszuständen, bei denen der Druck im Ansaugkreis höher ist als in dem Abgaskreis und die Zirkulation des Abgases nicht vollzogen werden kann, der Druck in dem Ansaug-Krümmer reduziert, um so unter den Druck im Abgas-Krümmer zu fallen, so dass eine Rückführung des Abgases ausgeführt werden kann. So wird eine Abgasrückführung unter einem breiten Bereich von Antriebszuständen, beginnend von einem Niedriggeschwindigkeits- und Niedrigbelastungsbereich bis zu einem Hochgeschwindigkeits- und Hochbelastungsbereich in Gang gesetzt und der schädliche Bestandteil im Abgas kann reduziert werden.
Da die Ventilöffnung des Ansaug- und Abgas-Bypassventils entsprechend der Antriebszustände der Brennkraftmaschine gesteuert werden kann, wird überdies selbst unter einer derartigen Verwendung, bei der die Antriebszustände der Brennkraftmaschine wie beispielsweise die Drehzahl und Belastungen momentan verändert werden, der Abgasrückführkreis gesteuert, so dass die Abgasmenge an NOx einem Sollwert angenähert wird, so dass eine fein abstimmbare Steuerung zur Reduzierung der Abgasmenge an NOx ausgeführt werden kann.
Gemäß einem einundzwanzigsten Aspekt der Erfindung weist eine Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine gemäß dem achtzehnten oder neunzehnten Aspekt auf: einen Ansaug- und Abgas-Bypasskreis zum Anschließen der stromabwärtigen Seite des Kompressors an die stromaufwärtige Seite der Turbine des Turboladers; und ein Rückschlagklappenventil, um die Strömung in dem Ansaug- und Abgas-Bypasskreis nur in einer Richtung von der stromabwärtigen Seite des Kompressors an die stromaufwärtige Seite der Turbine zuzulassen. Zusätzlich zum achtzehnten oder neunzehnten Aspekt kann gemäß dem einundzwanzigsten Aspekt der Erfindung ein Teil der Ansaugluft durch den Ansaug- und Abgas-Bypasskreis in den Abgaskreis strömen, um den Druck in dem Abgas-Krümmer anzuheben, und gleichzeitig wird die Ventilöffnung des Ablaß- Absperrventils gesteuert, um die Ansaugströmungsrate einzustellen und den Druck in dem Ansaug-Krümmer zu reduzieren. Demzufolge ist selbst bei solchen Antriebszuständen, da der Druck in dem Ansaugkreis höher ist als in dem Abgaskreis und die Zirkulation des Abgases nicht ausgeführt werden kann, der Druck in dem Ansaug-Krümmer reduziert, um so unter den Druck des Abgas-Krümmers zu fallen, so dass die Rückführung des Abgases ausgeführt werden kann. Deshalb kann eine Abgasrückführung innerhalb eines breiten Bereichs an Antriebszuständen, beginnend von einem Niedriggeschwindigkeits- und niedrigen Belastungsbereich bis zu einem Hochgeschwindigkeits- und hohen Belastungsbereich der Abgasrückführkreis in Gang gesetzt und der schädliche Bestandteil im Abgas reduziert werden. Da die Steuerung für die Strömungsrichtungsteuerung des Ansaug- und Abgas-Bypasskreises durch die einfache Konstruktion von beispielsweise einem Rückschlagklappenventil ausgeführt sein kann, können die Herstellungskosten reduziert werden.
Gemäß einem zweiundzwanzigsten Aspekt der Erfindung ist in der Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine gemäß dem achtzehnten oder neunzehnten Aspekt ein verjüngter Abschnitt an der Stelle des Ansaugkreises ausgebildet, an der der Abgasrückführkreis mit einem Rohrabzweig angeschlossen ist, wobei ein Ansaug-Bypasskreis zum Umgehen des verjüngten Abschnitts und ein Ansaug-Bypassventil vorgesehen sind, dessen Öffnungsgrad variiert werden kann, so dass der Ansaug-Bypasskreis geöffnet und geschlossen werden kann.
Gemäß dem zweiundzwanzigsten Aspekt ist zusätzlich zu den obigen Aspekten der Erfindung der verjüngte Abschnitt für den Ansaugkreis in Kombination mit dem Ansaug-Bypasskreis vorgesehen, um die Öffnung des Ansaug-Bypassventils zu steuern, so dass der Druck in dem verjüngten Abschnitt reduziert werden kann. Der Abgasrückführkreis ist an den verjüngten Abschnitt angeschlossen, um die Rückführung des Abgases selbst während dem Motorlauf bei einer mittleren Geschwindigkeit oder einer hohen Geschwindigkeit in einem hohen Belastungsbereich zu ermöglichen, so dass die NOx-Abgasmenge reduziert werden kann, während ein niedriger Kraftstoffverbrauch erhalten wird.
Gemäß einem dreiundzwanzigsten Aspekt der Erfindung weist eine Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine gemäß dem achtzehnten oder neunzehnten Aspekt auf: einen Generator, der unmittelbar an der stromabwärtigen Seite des Ablaß-Absperrventils vorgesehen ist, um die drehbetriebene Turbine aufgrund des Drucks des Abgases in Drehung zu versetzen, um elektrische Energie zu erzeugen; einen ersten Konverter, um den durch den Generator erzeugten elektrischen Strom in einen ladefähigen Zustand zu wandeln; und eine Batterie zum Laden des durch den Generator erzeugten elektrischen Stroms durch den ersten Konverter.
Gemäß dem dreiundzwanzigsten Aspekt der Erfindung wird zusätzlich zu den oben erwähnten Aspekten durch Vorsehen des Generators, des ersten Konverters und der Batterie beispielsweise beim Antrieb zu einer hohen Geschwindigkeit unter geringer Belastung oder einem Abbremsen, die Energie des Abgases, welches durch das Ablaß-Absperrventil strömt, als elektrische Energie durch den Generator gespeichert und die Energie des Abgases kann wirksam verwendet werden.
Gemäß einem vierundzwanzigsten Aspekt der Erfindung weist eine Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine gemäß dem dreiundzwanzigsten Aspekt auf: einen Elektromotor, der durch die elektrische Energie von der Batterie angetrieben wird, um den Antrieb des Turboladers zu unterstützen; und einen zweiten Konverter zum Wandeln der elektrischen Energie von der Batterie in einen für den Elektromotor verwendbaren Zustand, und Zuführen der umgewandelten Energie an den Elektromotor.
Zusätzlich zum dreiundzwanzigsten Aspekt verwendet der Elektromotor gemäß dem vierundzwanzigsten Aspekt nun, da der zweite Konverter und der Elektromotor vorgesehen sind, beispielsweise beim Antrieb bei hoher Geschwindigkeit unter geringer Belastung oder einer Beschleunigung, die in der Batterie geladene elektrische Energie, um den Turbolader zu unterstützen, so dass die Zuverlässigkeit verbessert werden kann, und der Ladedruck angehoben werden kann. Während die Energie des Abgases nun wirksam genutzt wird, kann demzufolge die Verbesserung der Beschleunigungseigenschaften aufgrund einer Reduktion eines Turboladerverlustes und die Verbesserung einer Reduktion im Rauch und einer Erhöhung des Drehmoments im unteren Drehzahlbereich aufgrund einer Erhöhung der Ansaugströmungsrate realisiert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung nun mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 ein Ansaug- und Abgaskreis-Diagramm einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine;
Fig. 2 ein Steuer-Fließbild der Steuerventile der ersten Ausführungsform;
Fig. 3 ein Diagramm eines Ansaug- und Abgaskreises einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 ein Diagramm eines Ansaug- und Abgaskreises einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 5A bis 5C Querschnittansichten eines Dreiwegeventils, das in der dritten Ausführungsform verwendet wird;
Fig. 6 ein Ansaug- und Abgaskreisdiagramm einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7A bis 7C Querschnittansichten eines Rückschlagklappenventils, das in der vierten Ausführungsform verwendet wird;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Turboladers, in dem ein Ansaug- und Abgas-Bypassventil zwischen einem Kompressorgehäuse und einem Turbinengehäuse vorgesehen ist;
Fig. 9 ein Diagramm eines Ansaug- und Abgaskreises einer sechsten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 10 ein Diagramm eines Ansaug- und Abgaskreises einer sechsten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 11 ein Steuerungs-Fließbild der Steuerventile der sechsten Ausführungsform;
Fig. 12 ein Diagramm eines Ansaug- und Abgaskreises einer siebten Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
Fig. 13 ein Diagramm eines Ansaug- und Abgaskreises für einen Motor mit einem Turbolader, der einen Abgasrückführkreis gemäß dem Stand der Technik hat.
Mit Bezug auf Fig. 1 wird nachfolgend eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Diejenigen Bestandteile, die im Stand der Technik beschrieben wurden, sind durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei deren Beschreibung weggelassen wurde.
In dem über eine Steuervorrichtung zur Abgasrückführung verfügenden Motor 14 mit Turbolader ist ein Venturi 12b an der stromaufwärtigen Seite des Ansaug-Krümmers 12a des Ansaugkreises 12 vorgesehen, in dem ein verjüngter Abschnitt ausgebildet ist. Der Abgasrückführkreis 15 ist mit dem Ansaugkreis 12 verbunden, und zwar an dem verjüngten Abschnitt des Venturis 12b. Zum Verbinden eines unmittelbar stromaufwärtigen Abschnitts des Venturis 12b mit einem Abschnitt, der unmittelbar an der stromabwärtigen Seite angeordnet ist, ist ein Ansaug-Bypasskreis 12c zwischen diesen Punkten vorgesehen. Ein Ansaug-Bypassventil 12d ist für den Kreis 12c vorgesehen, um den Ansaug-Bypasskreis 12c öffnen oder schließen zu können.
In der Nähe des Auslaßes des Kompressors 11a des Ansaugkreises 12 und in der Nähe eines Einlaßes der Turbine 11b des Abgaskreises 16 ist zwischenliegend ein Ansaug- und Abgas- Bypasskreis 20 vorgesehen, um diese miteinander zu verbinden. Ein Ansaug- und Abgas-Bypassventil 20a ist für den Kreis 20 vorgesehen, um den Ansaug- und Bypasskreis 20 öffnen oder schließen zu können.
Zwischen dem Abgaskreis 16 und einem zwischen dem Auslaß der Turbine 11b und dem Abgasdrucksteuerventil 18 angeordneten Weg 19 ist ein Turbinen-Bypasskreis 17 vorgesehen, um eine Verbindung zwischen diesen Punkten zu schaffen.
Für den Turbinen-Bypasskreis 17 ist ein Ablaß-Absperrventil 17a vorgesehen. Wenn der Druck in dem Abgaskreis 16 gleich oder größer ist als ein vorbestimmter Wert, wird das Ventil geöffnet und das Gas in den folgenden Weg 19 freigegeben, wodurch der Druck in dem Abgaskreis 16 reduziert wird. Da ein übermäßiger Anstieg im Druck des Abgaskreises 16 eine Abnahme der Leistungsfähigkeit des Motors 14 verursacht und den Kraftstoffverbrauch verschlechtert, verhindert das Ventil 17a ein derartiges Phänomen.
Der Motor 14 weist eine Messaufnehmervorrichtung 31 zum Aufnehmen der Antriebszustände des Motors auf, wie beispielsweise einen Drehzahlsensor 31a zum Aufnehmen der Drehgeschwindigkeit des Motors 14, einen Temperatursensor 31b zum Aufnehmen einer Temperatur des Kühlwassers; einen Widerstandsaufnehmer 31c zum Aufnehmen eines Drosselungsbetrags, einen Drucksensor 31d zum Aufnehmen eines Drucks in jeder Leitung, einen NOx-Sensor 31e zum Aufnehmen einer NOx-Abgasmenge, einen Luftstrom-Meter 31f zum Aufnehmen einer dem Motorhauptkörper 14a zuzuführenden Ansaugströmungsrate, und einen Temperatursensor 31g zum Aufnehmen einer Temperatur am Auslaß des EGR-Kühlers 15b.
Überdies weist der Motor 14 auf: eine Speichervorrichtung 32 zum Speichern der NOx-Abgasmenge in einer Speichertabelle, die zur Ermittlung eines Sollwerts dient, der durch jede Kombination aus Drehzahl und Drosselungseinstellung bestimmt wird; und eine Steuereinheit 33 zum Steuern der Öffnung des Ansaug-Bypassventils 12c, des EGR-Ventils 15c, des Abgasdrucksteuerventils 18 und des Ansaug- und Abgas- Bypassventils 20a, um so die aufgenommene NOx-Abgasmenge und die Ansaug-Strömungsrate den Sollwerten anzugleichen und den Kraftstoffverbrauch in Antwort auf die von der Messaufnehmervorrichtung 31 und der Speichervorrichtung 32 erhaltenen Signale zu verbessern.
Mit Bezug auf die Fig. 2 wird nun nachfolgend ein Steuer- Fließbild der Ventile der ersten Ausführungsform beschrieben. Im Ausgangszustand sind das EGR-Ventil 15c und das Ansaug- und Abgas-Bypassventil 20a geschlossen und das Ansaug-Bypassventil 12b ist vollständig geöffnet. In Schritt S1 vergleicht zunächst die Steuereinheit 33 eine NOx-Abgasmenge NOx0, die von dem NOx- Sensor 31e aufgenommen wurde, mit einer NOx-Abgasmenge NOxT, die auf der Basis der durch den Drehzahlsensor 31a aufgenommenen Drehzahl und des durch den Potentiometer 31c aufgenommenen Drosselungsgrades aus der durch die Speichervorrichtung 32 gespeicherten Steuerungstabelle ausgewählt wird. Wenn ein Ausdruck von NOxT - NOx0 ≧ 0 vorliegt, wird der Öffnungsgrad von jedem Ventil in einem Zustand gehalten, wie er in Schritt S2 gezeigt ist, indem die Verfahrensroutine zu Schritt S1 zurückkehrt und der Prozess wiederholt wird. Wenn ein Zustand gemäß dem Ausdruck NOxT - NOx0 ≧ 0 nicht vorliegt, nämlich dann, wenn bestimmt ist, dass die von dem NOx-Sensor 31e aufgenommene NOx-Abgasmenge NOx0 zu hoch ist, folgt Schritt S3 und die Steuereinheit 33 führt die Steuerung gemäß einer Abgasrückführung aus. Mit anderen Worten vergleicht die Steuerungseinheit 33 einen durch den Drucksensor 31d aufgenommenen Druck PVR des verjüngten Abschnitts des Venturis 12b mit einem Druck PEX in dem Abgas-Krümmer 16a. Wenn ein Zustand gemäß dem Ausdruck PEX - RVR < 0 vorliegt, wird in Schritt S5 der Öffnungsgrad des EGR-Ventils 15c durch einen vorbestimmten Wert erhöht. Dann folgt Schritt S1 und der oben erwähnte Prozess wird wiederholt.
Wenn ein Zustand gemäß dem Ausdruck PEX - PVR < 0 nicht vorliegt, kann selbst bei geöffnetem EGR-Ventil 15c eine Abgasrückführung nicht stattfinden. Im Schritt S4 stellt die Steuereinheit 33 den Öffnungsgrad des Ansaug-Bypassventils 12d, des Abgasdrucksteuerventils 18 und des Ansaug- und Abgas- Bypassventils 20a ein, so dass ein Zustand gemäß dem Ausdruck PEX - PVR < 0 eintritt. Die Ventile haben die folgenden Wirkungen.
Wenn das Ansaug-Bypassventil 12d im Drosselzustand ist, wird die durch den Ansaug-Bypasskreis 12c geführte Strömungsrate reduziert und die durch das Venturi 12b geführte Strömungsrate wird gemäß obiger Reduktionsmenge erhöht, so dass die Strömungsgeschwindigkeit in dem verjüngten Abschnitt erhöht wird, um PVR zu reduzieren. Wenn das Abgasdrucksteuerventil 18 im Drosselungszustand ist, wird PEX wie oben erwähnt angehoben. Wenn das Ansaug- und Abgas-Bypassventil 20a geöffnet ist, strömt ein Teil der durch den Kompressor 11a verdichteten Ansaugluft durch den Ansaug- und Abgas-Bypasskreis 20 in den Abgaskreis 16, so dass PVR fällt und PEX steigt. Die Steuereinheit 33 wiederholt diese Prozesse in den Schritten S3 und S4 bis ein Zustand gemäß dem Ausdruck PEX - PVR < 0 erreicht ist, wonach Schritt S5 folgt. Dann kehrt die Prozessroutine zu Schritt S1 zurück und die Prozesse der Schritte S3, S4 und S5 werden wiederholt, so dass ein Zustand gemäß dem Ausdruck NOxT - NOx0 ≧ 0 eintritt.
Das obige Ansaug-Bypassventil 12d, das Abgas-Drucksteuerventil 18 und das Ansaug- und Abgas-Bypassventil 20a zeigen die Nebenwirkung, dass die Leistungsfähigkeit des Motors 14 reduziert und der Kraftstoffverbrauch erhöht wird. Wenn das Ansaug-Bypassventil 12d im Drosselungszustand ist, erhöht sich die Strömungsrate im Venturi 12b gemäß dem Drosselungsgrad, so dass sich der Ansaugwiderstand aufgrund des Widerstands im Venturi 12b erhöht. Wenn das Abgasdrucksteuerventil 18 im Drosselungszustand ist, steigt gemäß obiger Beschreibung der Auslaßdruck an der Turbine 11b, so dass die Abgasleistungsfähigkeit des Motors 14 verschlechtert ist. Wenn das Ansaug- und Abgas-Bypassventil 20a geöffnet ist, strömt ein Teil der Ansaugluft in den Abgaskreis 16, so dass sich der Druck der Ansaugluft vermindert und die Aufnahmeleistungsfähigkeit an Ansaugluft verschlechtert ist.
Demzufolge ist es zur Erhöhung von PEX und zur Reduzierung von PVR, d. h. zur Minimierung einer Verschlechterung im Treibstoffverbrauch aufgrund oben genannter Nebenwirkung und zur gleichzeitigen Realisierung eines Zustands gemäß dem Ausdruck PEX - PVR < 0 wünschenswert, dass die Steuereinheit 33 die Öffnungsgrade der Ventile in einem derart ausgeglichen Zustand steuert, dass das Ansaug-Bypassventil 12d und das Abgasdrucksteuerventil 18 so weit wie möglich geöffnet sind, um den Widerstand zu reduzieren, wobei das Ansaug- und Abgas- Bypassventil 20a in dem größten Drosselungszustand wie möglich gebracht wird, um den Verlust an Ansaugluft zu unterdrücken.
Insbesondere wird eine Reduzierung der NOx-Abgasmenge erreicht und eine Verschlechterung im Treibstoffverbrauch verhindert, wenn die folgenden Steuereigenschaften während eines Motorlaufs bei einer hohen Geschwindigkeit unter hohen Belastungen und bei einem Motorlauf bei einer mittleren Geschwindigkeit unter hohen Belastungen gesetzt werden.
Zunächst strömt die Ansaugluft mit einer zur Reduzierung von PVR ausreichenden Strömungsrate in das Venturi 12b, da die Ansaugströmungsrate während des Laufs bei einer hohen Geschwindigkeit unter hohen Belastungen relativ hoch ist, selbst wenn das Ansaug-Bypassventil 12d geöffnet ist. Wenn das Ansaug- und Abgas-Bypassventil 20a geschlossen ist, kann der Ausdruck PEX - PVR < 0 auf "wahr" gesetzt werden. Deshalb werden die Öffnungsgrade des Ansaug-Bypassventils 12d und des Abgasdrucksteuerventils 18 nur während des Motorlaufs bei einer hohen Geschwindigkeit unter hoher Belastung eingestellt, während das Abgas-Bypassventil 20a vollständig geschlossen ist. Demzufolge wird während eines Motorlaufs bei einer hohen Geschwindigkeit unter hoher Belastung, ein Kraftstoffmehrverbrauch minimiert und die NOx-Abgasmenge kann reduziert werden, so dass ein Zustand gemäß dem Ausdruck NOxT - NOx0 ≧ 0 wahr wird.
Da der Turbolader 11 derart ausgelegt ist, dass der Druck an vielen Stellen auf der Ansaugseite im Wesentlichen höher ist als auf der Abgasseite und die Ansaugströmungsrate relativ gering ist, ist es während einem Motorlauf bei einer mittleren Geschwindigkeit unter hoher Belastung schwierig, einen Zustand gemäß dem Ausdruck PEX - PVR < 0 zu erreichen. Demgemäß wird die folgende Steuerung ausgeführt. Nun wird das Ansaug- und Abgas- Bypassventil 20a vollständig geöffnet und während der Druck am Ansaug-Krümmer 12a so weit wie möglich reduziert wird und der Druck PEX im Abgas-Krümmer 16a auf seinen Maximalwert angehoben wird, wird das Ansaug-Bypassventil 12d vollständig geschlossen und der Gesamtmenge an Ansaugluft ermöglicht, durch das Venturi 12b zu strömen, so dass PVR auf den Minimalwert reduziert wird. Die Gleichung PEX - PVR < 0 wird durch synergetischen Effekt erfüllt, so dass die NOx-Abgasmenge reduziert werden kann, so dass ein Zustand gemäß dem Ausdruck NOxT - NOx0 ≧ 0 erreicht wird.
Zur Steuerung der NOx-Abgasmenge ist ein Verfahren bekannt, in dem an Stelle der NOx-Abgasmenge die EGR-Rate aufgenommen und verglichen wird.
Wenn die Antriebszustände bestimmt sind, wird eine EGR-Rate EGRT entsprechend der NOx-Abgasmenge NOxT als ein absoluter Sollwert bestimmt. So wird die als Sollwert dienende und durch jede Kombination aus Drehzahl und Drosselgrad bestimmte EGR- Rate EGRT in Form einer Steuertabelle in der Speichervorrichtung 32 gespeichert. Demgegenüber wird eine gegenwärtige EGR-Rate EGR0 wie folgt erhalten. Ein Proportionalitätsfaktor c, der durch die von dem EGR- Kühlerauslaßtemperatursensor 31g aufgenommene Abgastemperatur bestimmt wird, wird mit der Querschnittsfläche A des Durchgangs und mit der Quadratwurzel aus der Druck-Differenz zwischen PEX und PVR multipliziert, welche Drücke durch den Drucksensor 31d aufgenommen sind, um einen EGR-Betrag QEGR zu erhalten. Der EGR- Betrag QEGR wird durch die Summe aus einer durch den Luftströmungs-Meter 31f aufgenommenen Ansaug-Strömungsrate QA mit der EGR-Menge QEGR dividiert, wodurch EGR0 erhalten wird:
QEGR = c × A × (PEX - PVR)1/2
EGR0 = QEGR/(QA + QEGR)
Die Steuereinheit 33 vergleicht die durch die obigen Gleichungen gegenwärtige EGR-Rate EGR0, die auf der Grundlage des durch den Drucksensor 31d aufgenommenen Differentialdrucks zwischen PEX und PVR und der durch dem Luftstrom-Meter 31f aufgenommenen Ansaug-Strömungsrate QA erhalten wurde, mit dem Sollwert der EGR-Rate EGRT, der aus der durch die Speichervorrichtung 32 gespeicherten Steuertabelle auf der Grundlage der durch den Drehzahlsensor 31a aufgenommenen Drehzahl und des Drosselgrades ausgewählt wird, der durch den Potentiometer 31c aufgenommen ist.
Danach regelt die Steuereinheit 33 den Öffnungsgrad des EGR- Ventils 15c, so dass ein Zustand gemäß dem Ausdruck EGRT - EGR0 <= 0 in Schritt S1 erhalten wird. Demzufolge wird die gleiche Wirkung wie durch die Steuerung erreicht, so dass dem Ausdruck NOxT - NOx0 <= 0 in Schritt S1 entsprochen wird.
Gemäß dem Steuerverfahren auf der Grundlage der EGR-Rate ist es nicht nötig, die NOx Abgasmenge direkt zu messen. Da der teure NOx-Sensor 31e nicht benötigt wird, können die Kosten demgemäß reduziert werden.
Mit Bezug auf Fig. 3 wird nun eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die sich zur ersten Ausführungsform derart unterscheidet, dass der Ansaugbypasskreis 12c nicht vorgesehen ist, sondern stattdessen ein Ansaugdrosselventil 12e unmittelbar an der stromaufwärtigen Seite des Venturis 12b vorgesehen ist. Das Steuerungsfließbild der Ventile dieser zweiten Ausführungsform kann derart beschrieben werden, dass die Steuerung des Ansaugbypassventiles 12d in dem Fließbild der Fig. 2 mit Bezug auf die erste Ausführungsform durch die Steuerung des Ansaugdrosselventiles 12e abgeändert ist. Das heißt, wenn der Ausdruck PEX - PVR < 0 in Schritt S3 falsch ist, wird gemäß einem Befehl in Schritt S4 die Steuereinheit 33 die Strömung durch das Ansaugdrosselventil 12e drosseln, um den Ansaugwiderstand aufzubringen, PVR wird abgesenkt, der Ausdruck PEX - PVR < 0 in Schritt S3 wird wahr und die Zirkulation des Abgases kann ausgeführt werden. Wenn die Strömung durch das Ansaugdrosselventil 12e gedrosselt wird, tritt jedoch ein Nebeneffekt auf, bei dem der Ansaugwiderstand ansteigt, der den Kraftstoffverbrauch verschlechtert. Demgemäß ist es zur Anhebung von PEX und zur Reduzierung von PVR zum Erfüllen der Gleichung PEX - PVR < 0 in Schritt S3 zur Unterdrückung einer Verschlechterung im Kraftstoffverbrauch auf den Minimalwert in Schritt S4 wünschenswert, dass die Steuereinheit 33 den Öffnungsgrad eines jeden Ventils steuert, so dass das Ansaugdrosselventil 12e und das Abgasdrucksteuerventil 18 soweit wie möglich geöffnet werden, um den Widerstand zu reduzieren, wobei das Ansaug- und Abgasbypassventil 20a in den größtmöglichen Drosselungszustand gebracht wird, um den Verlust an Ansaugluft zu unterdrücken, während die Öffnungsgrade ausgeglichen sind.
Das Verfahren zur Steuerung der Ventile in der Art und Weise, dass die NOx-Abgasmenge oder die EGR-Rate dem Sollwert entspricht, was durch die erste Ausführungsform beschrieben wurde, kann ebenso durch die zweite Ausführungsform durch Ersetzen der Steuerung des Ansaugbypassventiles 12d durch die Steuerung des Ansaugdrosselventils 12e erreicht werden.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung wird nun mit Bezug auf die Fig. 4 beschrieben. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass anstelle des Ansaug- und Abgasbypassventiles 20a ein Dreiwegeventil 20c in dem Ansaug- und Abgasbypasskreis 20 vorgesehen ist. Die drei Öffnungen des Dreiwegeventiles 20c sind jeweils an dem Ansaugkreis 12, dem Abgaskreis 16 und dem Abgasrückführkreis 15 angeschlossen. Das Dreiwegeventil 20c hat zwei Schaltpositionen. Bei der einen der Schaltpositionen ist der Ansaugkreis 12 an den Abgaskreis 16 angeschlossen und bei der anderen Schaltposition ist der Abgaskreis 16 mit dem Abgasrückführkreis 15 verbunden. Der Zulauf des Dreiwegeventils 20c zum Abgasrückführkreis befindet sich an der stromabwärtigen Seite des EGR-Kühlers 15b. Ein Steuerungsfließbild der Ventile der dritten Ausführungsform kann durch Ersetzen der Steuerung des Ansaug- und Abgasbypassventils 20a gemäß dem Fließbild von Fig. 2 durch die Steuerung des Dreiwegeventils 20c erklärt werden. Das heißt, wenn der Ausdruck PEX - PVR < 0 in Schritt S3 falsch ist, schaltet die Steuereiheit 33 das Dreiwegeventil 20c gemäß dem Befehl auf eine der Schaltpositionen. Da der Ansaugkreis 12 an den Abgaskreis 16 angeschlossen ist, strömt ein Teil der durch den Kompressor 11a verdichteten Ansaugluft durch den Ansaug- und Abgasbypasskreis 20 in den Abgaskreis 16. Da die Wirkungen denjenigen Wirkungen entsprechen, bei denen das Ansaug- und Abgasbypassventil 20a in der ersten Ausführungsform geöffnet ist, wird auf eine Beschreibung verzichtet. Wenn der Ausdruck PEX - PVR < 0 in Schritt S3 wahr ist, erhöht die Steuereinheit 33 im Schritt S5 den Öffnungsgrad des EGR-Ventiles 15c und schaltet das Dreiwegeventil 20c gemäß der vorliegenden Instruktion auf die andere Schaltposition. Da der Abgaskreis 16 an dem Abgasrückführkreis 15 angeschlossen ist, strömt ein Teil des Abgases durch den Ansaug- und Abgasbypasskreis 20 in den Abgasrückführkreis 15. Da das Abgas auf der stromabwärtigen Seite des EGR-Kühlers 15b in den Abgasrückführkreis 15 strömt, zirkuliert es ohne Kühlung. Wenn der Öffnungsgrad des EGR- Ventiles 15c eingestellt ist, kann die Temperatur des zirkulierenden Abgases durch Ändern des Mischungsverhältnisses des durch den EGR-Kühler 15b laufenden Abgases und dem Abgas, welches nicht durch den EGR-Kühler 15b strömt justiert werden. Demzufolge kann eine Temperatur der Ansaugluft entsprechend den Fahrzuständen geändert werden, so dass die NOx-Abgasmenge reduziert werden kann. Gleichzeitig wird die Abgasrate, die durch den EGR-Kühler 15b strömt, erniedrigt, so dass die sich von dem EGR-Kühler 15b am Fahrzeugkörper anlagernde Wärmemenge minimiert wird, ein Wärmeausgleich verbessert ist, und Belastungen auf das Kühlsystem reduziert werden können.
Wenn es beispielsweise kalt ist und eine Steuerung ausgeführt wird, bei der das Dreiwegeventil 20c auf die andere Schaltposition geschalten ist und das EGR-Ventil 15c geschlossen ist, zirkuliert nur das Abgas, welches nicht durch den Kühler 15b läuft, und eine Temperatur der Ansaugluft des Motors 14 steigt. Damit wird die Aufwärmzeit reduziert, wenn der Motor 14 in einer kalten Umgebung gestartet wird, so dass die Bildung von weißem Rauch reduziert werden kann. Überdies kann eine Überkühlung des Motors 14 während einem Fahren unter geringen Belastungen in der kalten Umgebung verhindert werden. Da ein Überkühlen den Reibungswiderstand des Motors 14 und damit den Kraftstoffverbrauch erhöht, kann der Kraftstoffverbrauch durch das Verhindern einer Überkühlung verbessert werden.
Die Fig. 5A bis 5C veranschaulichen den Aufbau des Dreiwegeventiles, das in der dritten Ausführungsform verwendet wird. Fig. 5a zeigt das Ventil, in dem eine auslenkbare Platte 52 an der Verbindung der drei Kanäle und ein mit der Platte verbundener Aktuator 51 vorgesehen sind, der beispielsweise in Form eines Zylinders oder eines Diaphragmas vorliegt. Der Aktuator 51 bewegt die Platte 52, um das Ventil in eine erste Position zu schalten, bei der der mit dem Ansaugkreis 12 verbundene Durchgang geschlossen ist, um den Abgaskreis 16 mit dem Abgasrückführkreis 15 zu verbinden, oder das Ventil wird in eine zweite Position geschaltet, bei der der Durchgang zum Abgasrückführkreis 15 geschlossen ist, um den Ansaugkreis 12 mit dem Abgaskreis 16 zu verbinden.
Fig. 5B zeigt das Ventil, in dem eine bewegbare Platte 54 und ein Teller 53 an der Verbindung der drei Wege, sowie der Aktuator 51 vorgesehen sind, der an den Teller 53 gekoppelt und beispielsweise in der Form eines Zylinders oder eines Diaphragmas ausgebildet ist. Der Aktuator 51 bewegt den Teller 53 um den an den Abgasrückführkreis 15 angeschlossenen Durchgang zu öffnen. Die Platte 54 ist an dem Durchgang vorgesehen, der an den Ansaugkreis 12 an der Verbindung der drei Wege angeschlossen ist. Eine rotierende Welle unterstützt den oberen Abschnitt in beweglicher Weise. Wenn der Druck in dem Ansaugkreis 12 höher ist als in dem Abgaskreis 16, wird die Platte nach oben gedrückt und der Durchgang wird geöffnet. Wenn der Druck in dem Ansaugkreis 12 geringer ist als in dem Abgaskreis 16 wird der Teller nach unten bewegt, um den Durchgang zu schließen. Da der obere Abschnitt der Platte 54 beweglich unterstützt ist, arbeitet eine Abwärtsbewegung durch die Gewichtskraft immer, so dass der Durchgang sicher geschlossen wird. Wenn die Gleichung PEX - PVR < 0 nicht erfüllt wird, schließt der Teller 53 den an den Abgasrückführkreis angeschlossenen Durchgang durch den Aktuator 51. In diesem Fall dann, in dem der Druck in dem Ansaugkreis 12 höher ist als in dem Abgaskreis 16 öffnet die Platte 54 den Durchgang, um einem Teil der Ansaugluft zu ermöglichen, in den Abgaskreis 16 zu strömen. Wenn dem Ausdruck PEX - PVR < 0 entsprochen wird, öffnet der Teller 53 den an den Abgasrückführkreis angeschlossenen Durchgang durch den Aktuator 51. In diesem Fall dann, in dem der Druck in dem Ansaugkreis 12 geringer ist als in dem Abgaskreis 16 schließt die Platte 54 den an den Ansaugkreis 12 angeschlossenen Durchgang. Demzufolge strömt das auf die Platte 54 strömende Abgas an dem Teller 53 vorbei und weiter an den Abgasrückführkreis 15.
Fig. 5C zeigt das Ventil, in dem ein Kolben 55 in einem Gehäuse 56 gleitet, um den Durchgang auf und zu zu schalten. Das Gehäuse 56 hat eine Gleitkammer 56c, in der der Gleitkolben 55 aufgenommen ist. An der inneren Oberfläche der Gleitkammer 56c ist ein Loch 56a zum Verbinden des Ansaugkreises 12 mit dem Abgaskreis 16 und ein Loch 56b zum Verbinden des Abgaskreises 16 mit dem Abgasrückführkreis 15 ausgebildet. Wenn der Druck in dem Ansaugkreis 12 höher ist als in dem Abgaskreis 16, gleitet der Kolben 55 derart, dass das Loch 56a geöffnet und das Loch 56b geschlossen wird. Demzufolge strömt ein Teil der Ansaugluft durch das Gehäuse 56 in den Abgaskreis 16. Wenn der Druck in dem Abgaskreis 16 höher ist als in dem Ansaugkreis 12, gleitet der Kolben 55 derart, dass das Loch 56b geöffnet und das Loch 56a geschlossen wird. Demgemäß strömt ein Teil des Abgases durch das Gehäuse 56 in den Abgasrückführkreis 15. Da der Kolben 55 proportional zum Druck bewegt wird, um den Durchgang zu schalten, unterscheidet sich der Aufbau von den oben erwähnten zwei Strukturen und der Aktuator 51 wird nicht benötigt. Der Aufbau des Dreiwegeventiles 20c ist nicht auf die drei dargestellten Beispiele begrenzt.
Mit Bezug auf Fig. 6 wird nachfolgend eine vierte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in dem Punkt, dass ein Rückschlagklappenventil 20b anstelle des Ansaug- und Abgasbypassventils 20a für den Ansaug- und Abgasbypasskreis 20 vorgesehen ist. Das Rückschlagklappenventil 20b ermöglich nur eine Strömungsrichtung von dem Ansaugkreis 12 zu dem Abgaskreis 16. Ein Steuerungsfließbild der Ventile für die vorliegende vierte Ausführungsform kann beschrieben werden, indem die Steuerung des Ansaug- und Abgasbypassventils 20a des Fließbildes von Fig. 2 mit Bezug auf den Absatz für die erste Ausführungsform durch die Steuerung des Rückschlagklappenventiles 20b ersetzt wird. Das heißt, dass wenn der Ausdruck PEX - PVR < 0 in Schritt S3 wahr ist und der Druck in dem Abgaskreis 16 höher ist als in dem Ansaugkreis 12, ein Teil des Abgases durch den Abgasrückführkreis 15 strömt und zirkuliert. Zu dieser Zeit ist das Rückschlagklappenventil 20b geschlossen, wodurch der Ansaug- und Abgasbypasskreis 20 geschlossen wird. Wird die Gleichung PEX - PVR < 0 in Schritt S3 nicht erfüllt, da der Druck in dem Ansaugkreis 12 höher ist als in dem Abgaskreis 16, strömt ein Teil der Ansaugluft über das Rückschlagklappenventil 20b in den Abgaskreis 16, so dass im Schritt S4 jeder Druck gesteuert wird, so dass der Ausdruck PEX - PVR < 0 in Schritt S3 wahr wird (mit Bezug auf die erste Ausführungsform). Im Vergleich des Rückschlagklappenventils 20b mit dem Ansaug- und Abgasbypassventil 20a und dem Dreiwegeventil 20c wird ein Steuermechanismus nicht benötigt. Demzufolge ist der Aufbau vereinfacht, um eine Kostenreduktion zu realisieren.
Die Fig. 7A bis 7C veranschaulichen den Aufbau des Rückschlagklappenventils, das in der vierten Ausführungsform verwendet wird. Fig. 7A zeigt das Ventil, in dem eine bewegbare Platte 61 in dem Durchgang vorgesehen ist. Eine Drehachse unterstützt drehbar den oberen Abschnitt der Platte 61. Wenn der Druck in dem Ansaugkreis 12 höher ist als in dem Abgaskreis 16, wird die Platte 61 nach oben gedrückt, um den Durchgang zu öffnen. Wenn der Druck in dem Ansaugkreis 12 geringer ist als in dem Abgaskreis 16, wird die Platte nach unten gedrückt und zurückgeführt, um den Durchgang zu schließen. Durch die bewegbare Unterstützung der Platte 61 ist gewährleistet, dass die Platte durch die eigene Gewichtskraft nach unten gedrückt wird. Demzufolge wird der Durchgang sicher geschlossen.
Fig. 7B zeigt das Ventil, in dem ein Kolben 63 in einem Gehäuse 62 gleitet, um den Durchgang auf und zu zu schalten. Das Gehäuse 62 hat eine Gleitkammer 62b, die den Gleitkolben 63 aufnimmt. Auf der Innenfläche der Gleitkammer 62b ist ein Loch 62a zum Verbinden des Ansaugkreises 12 mit dem Abgaskreis 16 vorgesehen. Wenn der Druck in dem Ansaugkreis 12 höher ist als in dem Abgaskreis 16, gleitet der Kolben 63 und öffnet das Loch 62a. Demgemäß strömt ein Teil der Ansaugluft durch das Gehäuse 62 in den Abgaskreis 16. Wenn der Druck in dem Abgaskreis 16 höher ist als in dem Ansaugkreis 12 gleitet der Kolben 63, um das Loch 62a zu schließen. Demzufolge wird der Ansaug- und Abgasbypasskreis 20 geschlossen.
Fig. 7C zeigt das Ventil mit einem derartigen Aufbau, bei dem der Kolben die Aufgabe übernimmt, die Druckpulsation im Aufbau gemäß Fig. 7B zu dämpfen. Der Kolben 64 hat in seinem Inneren eine Gleitkammer 64a, die einen Kolben 64 aufnimmt. Heide Enden der Gleitkammer 64a sind geöffnet, wobei ein Ende an dem Ansaugkreis 12 und das andere Ende an dem Abgaskreis 16 angeschlossen ist. Der Kolben 65 gleitet in dem Kolben 64, so dass seine Außenumfangsfläche im Wesentlichen mit der Innenfläche der Gleitkammer 64a in Kontakt steht. Da sich durch Gleiten des Kolbens 65 das Volumen von sowohl dem Einlasskreis 12 als auch dem Abgaskreis 16 gemäß seinem Gleithub verändert, wird ein Effekt erzielt, dass die Druckpulsation sowohl in dem Ansaugkreis 12 als auch dem Abgaskreis 16 absorbiert und gedämpft wird. Eine hochfrequente Vibration und Geräusche des Kolbens, die durch die Druckpulsation verursacht werden, können demzufolge reduziert werden. Der Aufbau des Rückschlagklappenventils 20b ist nicht auf die dargestellten drei Beispiele begrenzt.
Wie das oben erwähnt wurde, kann der Aufbau vereinfacht werden, wenn das Rückschlagklappenventil 20b verwendet wird, um die Strömungsrichtung des Ansaug- und Abgasbypasskreises zu steuern. So kann, wie das in Fig. 8 gezeigt ist, der Ansaug- und Abgasbypasskreis 20 einfach an sowohl ein Kompressorgehäuse 11c als auch an ein Turbinengehäuse 11d des Turboladers 11 angeschlossen sein. Demzufolge wird eine kompaktere Bauweise der Vorrichtung erreicht. Überdies können Zusammenbaueigenschaften und Wartungsmöglichkeiten verbessert werden, da der Turbolader 11 und der Ansaug- und Abgasbypasskreis 20 einstückig zusammengebaut werden können.
Überdies ist die Leitung vorzugsweise derart angeschlossen, dass sie entlang der Rotationsrichtung des Kompressors 11a angeordnet ist und sich schräg um die Rotationswelle des Turboladers 11 windet. Demgemäß kann ein Leitungswiderstand reduziert werden und die Leitung kann gekürzt werden, da die Strömung der durch die Rotation des Kompressors 11a erhaltenen Ansaugluft derart in die Leitung geführt wird, dass die Richtung so gut wie möglich nicht verändert wird. Demzufolge kann die Antwort des Ansaug- und Abgasbypasskreises 20 verbessert sein. Wenn die Antwort des Ansaug- und Abgasbypasskreises 20 verbessert ist, ist eine Zeitverzögerung bis zum Abfallen des Druckes in dem Ansaugrohr 12 durch den Ansaug- und Abgasbypass verkürzt, und die Rückführung des Abgases kann ausgeführt werden, nachdem der Druck in dem Ansaugkreis 12 geringer ist als in dem Abgaskreis 16. Demgemäß kann die sich erhöhende NOx-Abgasmenge reduziert werden, da eine Rückführung des Abgases während dieser Zeitverzögerung nicht ausgeführt wird.
Mit Bezug auf Fig. 9 wird nun nachfolgend eine fünfte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in dem Punkt, dass der Abgaskreis 16 in zwei Durchgänge 16b und 16c zwischen dem Abgaskrümmer 16a und der Turbine 11b unterteilt ist. Ein Gehäuse (nicht gezeigt) der Turbine 11b hat zwei geteilte Einlassöffnungen, an denen die Durchgänge angeschlossen sind.
Der Zweck einer Unterteilung der Abgasdurchgänge in die zwei Durchgänge 16b, 16c liegt in einer Vermeidung einer Verschlechterung der Abgas 15934 00070 552 001000280000000200012000285911582300040 0002010048408 00004 15815leistungsfähigkeit aufgrund von Abgasüberlagerungen zwischen den Leitungen. Sowohl der Abgasrückführkreis 15 als auch der Ansaug- und Abgasbypasskreis 20 sind an den Abgasdurchgang 16b angeschlossen, wobei jedoch beide nicht an den anderen Abgasdurchgang 16c angeschlossen sind. Wenn der Abgasrückführkreis 15 an den Abgaskreis 16b angeschlossen ist und der Ansaug- und Abgasbypasskreis 20 an den anderen Abgasdurchgang 16c angeschlossen wäre, wäre derjenige Effekt aufgrund des Ansaug- und Abgasbypasses abgeschwächt, bei dem der Druck in dem Ansaugkreis 12 reduziert und der Druck in dem Abgasdurchgang 16b erhöht wird, um das Abgas problemlos zu zirkulieren. Die Strömungsrate des in dem Abgasdurchgang 16b strömenden Abgases ist reduziert, die Strömungsrate des in den anderen Abgasdurchgang 16c strömenden Abgases ist erhöht und die Abgasströmungsrate des einen Durchgangs ist unterschiedlich von derjenigen des anderen Durchganges. Demzufolge ist an der Einlassöffnung des Gehäuses der Turbine 11b die Strömung des Abgases aus dem Gleichgewicht, die Rotation des Turboladers 11 wird unstabil und verschlechtert die Leistungsfähigkeit, so dass der Brennstoffverbrauch verschlechtert wird. Demgemäß verbinden die Abgasdurchgänge entweder sowohl den Abgasrückführkreis 15 und den Ansaug- und Abgasbypasskreis 20, oder keiner von ihnen wird angeschlossen.
In diesem Fall wird der Abgasrückführkreis 15 an der stromaufwärtigeren Seite des Abgasdurchganges 16b angeschlossen als der Ansaug- und Abgasbypasskreis 20, nämlich auf der Seite in der Nähe des Motorhauptkörpers 14a. Der Grund liegt darin, dass wenn der Abgasrückführkreis 15 an der eher stromabwärtigen Seite des Abgasdurchganges angeschlossen wäre als der Ansaug- und Abgasbypasskreis 20, tritt ein Teil der von dem Ansaug- und Abgasbypasskreis 20 in den Abgasdurchgang 16b eingeführten Ansaugluft in den Abgasrückführkreis 15. Dann vermindert sich die gegenwärtige EGR-Rate, so dass der Reduktionseffekt der NOx-Abgasmenge aufgrund der Abgasrückführung aufgehoben wird.
Wenn der Abgaskreis 16 nicht unterteilt ist, tritt derselbe Effekt auf. Wenn jedoch der Abgaskreis 16 unterteilt ist und der Ansaug- und Abgasbypasskreis 20 an nur einem Ende der unterteilten Durchgänge angeschlossen ist, kann eine Absolutströmungsrate des Abgases aufgrund der Unterteilung in den angeschlossenen Leitungen reduziert werden, so dass die Rate der zu mischenden Ansaugluft insbesondere erhöht ist. Demzufolge ist die Rate der in den Abgasrückführkreis 15 eingeführten Ansaugluft ebenso erhöht und eine Verschlechterung der EGR-Rate tritt bedeutender in Erscheinung.
Aufgrund obiger Gründe kann die Verschlechterung der EGR-Rate verhindert werden, indem der Abgasrückführkreis 15 relativ zur Anschlussstelle des Ansaug- und Abgasbypasskreises 20 an der stromaufwärtigeren Seite des Abgasdurchganges angeschlossen ist.
Mit Bezug auf Fig. 10 wird nun nachfolgend eine sechste Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in den folgenden Punkten. Selbst wenn der Druck in dem Abgaskreis 16 geringer ist als der vorangehende vorbestimmte Wert, kann die Steuereinheit 33 den Öffnungsgrad des Ablass-Absperrventiles 17a steuern. Als eine der Messaufnehmervorrichtungen 31 ist ein Öffnungsgradsensor 31h zum Aufnehmen des Öffnungsgrades des EGR-Ventiles 15c vorgesehen. Zusätzlich zur NOx-Abgasmenge speichert die Speichervorrichtung 32 in einer Steuertabelle einen Sollwert einer jeden Ansaugströmungsrate, die durch jede Kombination aus der Drehzahl des Motors 14, des Drosselungsgrades, und des Öffnungsgrades des EGR-Ventiles 15c bestimmt ist. In Antwort auf die Signale von der Messaufnehmervorrichtung 31 und der Speichervorrichtung 32 steuert die Steuereiheit 33 den Öffnungsgrad des Ablass-Absperrventils 17a, so dass die dem Motorhauptkörper 14a zuzuführende gegenwärtige Ansaugströmungsrate dem vorangehenden Sollwert entspricht, der in einer Steuertabelle gespeichert ist.
Mit Bezug auf Fig. 11 wird nun nachfolgend ein Steuerfließbild der sechsten Ausführungsform beschrieben.
Im Anfangszustand sind das EGR-Ventil 15c und das Ansaug- und Abgasbypassventil 20a geschlossen und das Ansaugbypassventil 12d ist vollständig geöffnet. Im Schritt S11 vergleicht die Steuereinheit 33 zunächst die von dem NOx-Sensor 31e aufgenommene NOx-Abgasmenge NOx0 mit der NOx-Abgasmenge NOxT, die aus der Steuertabelle ausgewählt ist, welche durch die Speichervorrichtung 32 auf der Grundlage der durch den Drehzahlsensor 31a aufgenommenen Drehzahl gespeichert wurde, sowie durch den Drosselungsbetrag, der durch den Potentiometer 31c aufgenommen wurde. Wenn die Gleichung NOxT - NOx0 <= 0 erfüllt wird, wird im Schritt S12 der Öffnungsgrad eines jeden Ventiles beibehalten, die Prozessroutine wird zum Schritt S11 zurückgeführt und der Prozess wird wiederholt. Wenn die Gleichung NOxT - NOx0 <= 0 nicht erfüllt wird, nämlich dann, wenn bestimmt ist, dass die von dem NOx-Sensor 31e aufgenommene NOx- Abgasmenge NOx0 zu hoch ist, folgt Schritt S13 und die Steuereinheit 33 führt die folgende Steuerung aus.
Im Schritt S13 kann, wenn die Gleichung PEX - PVR < 0 nicht erfüllt ist, die Abgasrückführung nicht ausgeführt werden, selbst wenn das EGR-Ventil 15c geöffnet ist. Im Schritt S14 regelt die Steuereinheit 33 den Öffnungsgrad von sowohl dem Ansaugbypassventil 12d, dem Abgasdrucksteuerungsventil 18 und dem Ansaug- und Abgasbypassventil 20a, so dass die Gleichung PEX - PVR < 0 erfüllt wird. Die Steuereinheit 33 wiederholt die Prozesse in den Schritten S13 und S14 bis die Gleichung PEX - PVR < 0 erfüllt ist und die Prozessroutine fährt mit Schritt S15 fort. Wie das oben erwähnt wurde, erhöht die Steuereinheit 33 den Öffnungsgrad des EGR-Ventiles 15c in Schritt S15, nachdem die Gleichung PEX - PVR < 0 in Schritt S13 erfüllt ist. Danach vergleicht die Steuereinheit 33 die durch den Luftstrommeter 31f in Schritt S16 aufgenommene Ansaugströmungsrate QA mit einem Sollwert einer Ansaugströmungsrate QT, der aus der Steuertabelle ausgesucht wird, die durch die Speichervorrichtung 32 auf der Grundlage der durch den Drehzahlsensor 31a aufgenommenen Drehzahl, den durch den Potentiometer 31c aufgenommenen Drosselungsgrad, und den Öffnungsgrad des EGR-Ventiles 15c gespeichert wurde, der durch den Öffnungsgradsensor 31 aufgenommen ist. In Schritt S17 regelt die Steuereinheit 33 den Öffnungsgrad des Ablass- Absperrventiles 17a, so dass die Gleichung QA = QT in Schritt S16 erfüllt wird. Nachdem die Gleichung QA = QT in Schritt S16 erfüllt wird, kehrt die Prozessroutine zu Schritt S11 zurück.
Zusätzlich zu der Funktion, das Abgas zur Reduzierung der Strömungsrate des in die Turbine 11b strömenden Abgases zu reduzieren und den Druck in dem Abgaskreis 16 zu vermindern, hat das Ablass-Absperrventil 17a ebenso die Aufgabe, die Drehzahl des Turboladers 11 zu vermindern, um den Ladevorgang zu schwächen und die Ansaugströmungsrate QA zu reduzieren, die in den Motorhauptkörper 14a einzuführen ist. Demgemäß wird der Öffnungsgrad des Ablass-Absperrventiles 17a eingestellt, wobei ermöglicht wird, die Ansaugströmungsrate QA einzustellen.
Mit anderen Worten wird das Ablass-Absperrventil 17a in einen Drosselzustand gebracht, wenn der Öffnungsgrad des EGR-Ventiles 15c groß und der EGR-Betrag QEGR groß ist, um den Ladevorgang zu verstärken. Wenn das EGR-Ventil 15c in einem Drosselzustand ist und der EGR-Betrag QEGR klein ist, wird der Öffnungsgrad des Absperr-Ablassventils 17a angehoben, um den Ladevorgang zu schwächen. Demzufolge wird die Ansaugströmungsrate QA ungeachtet einer durch eine Schwankung des EGR-Betrages QEGR hervorgerufenen Druckschwankung in dem Ansaugkrümmer 17a die Ansaugströmungsrate QA im Wesentlichen konstant gehalten und der Optimalgehalt an Sauerstoff für die Verbrennung wird sichergestellt, so dass selbst bei einem schwankenden Öffnungsgrad des EGR-Ventiles 15c ein stabiler Verbrennungszustand erhalten wird, bei dem eine Rotationsgeschwindigkeit des Motors ohne einer Schwankung aufrechterhalten wird.
Anstelle des Öffnungsgrades des EGR-Ventiles 15c, der durch den Öffnungsgradsensor 31h aufgenommen wird, kann der EGR-Betrag QEGR ebenso als ein Parameter verwendet werden. Wenn der Aufbau gemäß der Steuerung für das Ablass-Absperrventil 17a auf die zweite und fünfte Ausführungsform angewendet wird, werden die selben Effekte erzielt.
Mit Bezug auf Fig. 12 wird nun nachfolgend eine siebte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Diese unterscheidet sich von der sechsten Ausführungsform in dem Punkt, dass ein Generator 71, ein Konverter 72, eine Batterie 73, ein Elektromotor 74 und ein Invertor 75 vorgesehen sind. Während einer Fahrt bei hoher Geschwindigkeit unter geringer Belastung oder während eines Abbremsens, während dem es unnötig ist, den Ladedruck anzuheben, bei dem jedoch die Strömungsrate des Abgases hoch ist, ist das Ablass-Absperrventil 17a weit geöffnet und der unmittelbar auf der stromabwärtigen Seite des Ablass-Absperrventiles 17a vorgesehene Generator 71 ermöglicht einer drehbetätigten Generatorturbine 71a durch den Druck des durch das Ablass-Absperrventil strömenden Abgases zu rotieren, wodurch Wechelstrom erzeugt wird. Während eine Spannung in einen geeigneten Wert gewandelt wird, wandelt der Konverter 72 den Wechselstrom in Gleichstrom und der gewandelte Gleichstrom wird in der Batterie 73 geladen. Demzufolge kann die Energie des durch das Ablass-Absperrventil 17a strömenden und ohne den Turbolader 11 in Drehung versetzenden Abgases als elektrische Energie gespeichert werden.
Andererseits ist, während des Antriebs bei einer geringen Geschwindigkeit unter hoher Belastung oder einer Beschleunigung, während denen es erforderlich ist, den Ladedruck anzuheben, jedoch die Drehgeschwindigkeit des Turboladers 11 gering ist, der Elektormotor 74 an den Turbolader 11 über eine Kupplung (nicht gezeigt) angeschlossen und die durch Umwandeln des Gleichstroms aus der Batterie 73 in einen geeigneten Spannungswert durch den Inverter 75 erhaltene Wechselspannung wird dem Elektormotor 74 zugeführt, um den Turbolader anzutreiben, wodurch der Antrieb des Turboladers 11 unterstützt wird. Demzufolge ist die Drehgeschwindigkeit des Turboladers 11 erhöht, so dass der Ladedruck angehoben werden kann.
Mit anderen Worten wird die Energie des Abgases als elektrische Energie während des Fahrens bei einer hohen Geschwindigkeit unter geringer Belastung oder eines Abbremsens gespeichert, wobei die Energie während des Antriebes bei einer geringen Geschwindigkeit unter hoher Belastung oder einer Beschleunigung verwendet wird um den Turbolader 11 zu unterstützen, und der Ladedruck kann angehoben werden. Dadurch dass die Energie des Abgases wirksam genutzt wird, kann die Verbesserung der Beschleunigungseigenschaft aufgrund einer Reduktion des Turboverlustes und einer Reduktion des Rauches und einer Erhöhung des Niedergeschwindigkeitsdrehmomentes aufgrund der Erhöhung der Ansaugströmungsrate realisiert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Wechselstromgenerator als Generator 71 und ein Wechselstromelektromotor wird als ein Elektromotor 74 verwendet. Insofern ein Spannungswandler vorgesehen ist, wird ein Gleichstromgenerator als Generator 71 und ein Gleichstrommotor als Elektromotor 74 verwendet, wobei die Konverter 72 und 75 jeweils durch eine Vorrichtung zum Wandeln einer Gleichstromenergie in eine Gleichstromspannung ersetzt werden können.
Die oben erwähnten Arbeitsweisen und Wirkungen der Ausführungsformen gemäß der Erfindung funktionieren wie folgt.
Zunächst wird das Venturi und der Ansaugbypasskreis, der für den Ansaugkreis 12 vorgesehen ist, mit dem Ansaug- und Abgasbypasskreis 20 verbunden, der Öffnungsgrad eines jeden Ventiles in dem jeweiligen Abschnitt wird eingestellt, der Druck in dem Abgaskreis 16 wird angehoben und der Druck in dem Venturiabschnitt wird reduziert und der Abgasrückführkreis 15 wird mit dem Venturiabschnitt verbunden. So kann selbst in dem Bereich, in dem das Abgas nicht rückgeführt werden kann, weil der Druck in dem Ansaugkreis 12 höher ist als in dem Abgaskreis 16, insbesondere während des Antriebes bei einer mittleren oder hohen Geschwindigkeit in dem hohen Belastungsbereich, die Rückführung des Abgases zugelassen werden, so dass der NOx- Abgasbetrag reduziert werden kann, während ein geringer Treibstoffverbrauch erhalten wird.
Da eine Schwankung in der Ansaugströmungsrate, die von einer Zunahme/Abnahme der Zirkulationsmenge des Abgases begleitet wird, durch Einstellen des Ablass-Absperrventiles 17a eingestellt wird, kann der Optimalbetrag an Sauerstoff für die Verbrennung immer gewährleistet werden, so dass ein laufruhiger Antrieb ohne Schwankungen in der Drehzahl des Motors 14 realisiert ist.
Überdies wird während einer Fahrt bei hoher Geschwindigkeit unter geringer Belastung oder beim Abbremsen die Energie des Abgases als elektrische Energie durch den durch den Druck des Abgases betriebenen Generators gesammelt. Während des Antriebes bei einer geringen Geschwindigkeit unter hoher Belastung oder einem Beschleunigen, wird die elektrische Energie dazu verwendet, den Turbolader 11 durch den Generator zu unterstützen, und die Leistungsfähigkeit ist verbessert, so dass der Ladedruck erhöht werden kann. Indem die Energie des Abgases wirksam genutzt werden kann, kann eine Verbesserung der Beschleunigungseigenschaften aufgrund der Reduzierung eines Turboverlustes, und die Reduktion des Rauches und die Erhöhung eines Niedriggeschwindigkeitsdrehmomentes aufgrund der Erhöhung einer Ansaugströmungsrate realisiert werden.

Claims (24)

1. Steuervorrichtung zur Abgasrückführung (15) für eine Brennkraftmaschine (14), bei der zwischen einem Ansaugkreis (12) und einem Abgaskreis (16) ein Turbolader (11) und ein Abgasrückführkreis (15) vorgesehen sind, welcher Abgasrückführkreis mittels Abgasrückführ-Schaltventilen geöffnet werden kann, welche Vorrichtung aufweist:
einen Ansaug- und Abgasbypasskreis (20) zum Verbinden der stromabwärtigen Seite eines Kompressors (11a) mit der stromaufwärtigen Seite einer Turbine (11b) des Turboladers (11); und
ein Ansaug- und Abgasbypassventil (20a) dessen Öffnungsgrad variiert werden kann, so dass der Ansaug- und Abgasbypasskreis (20) geöffnet und geschlossen werden kann,
wobei an der stromaufwärtigen Seite des Ansaugkreises, wo der Abgasrückführkreis (15) mit einem Rohrabzweig angeschlossen ist, ein Ansaugdrosselventil vorgesehen ist, dessen Öffnungsgrad variiert werden kann, so dass der Ansaugkreis (12) geöffnet und geschlossen werden kann.
2. Steuervorrichtung zur Abgasrückführung (15) für eine Brennkraftmaschine, bei der zwischen einem Ansaugkreis (12) und einem Abgaskreis (16) ein Turbolader (11) und ein Abgasrückführkreis (15) vorgesehen sind, welcher Abgasrückführkreis mittels Abgasrückführ-Schaltventilen geöffnet werden kann, welche Vorrichtung aufweist:
einen Ansaug- und Abgasbypasskreis (20) zum Verbinden der stromabwärtigen Seite eines Kompressors (11a) mit der stromaufwärtigen Seite einer Turbine (11b) des Turboladers (11); und
ein Ansaug- und Abgasbypassventil (20a) dessen Öffnungsgrad variiert werden kann, so dass der Ansaug- und Abgasbypasskreis (20) geöffnet und geschlossen werden kann,
wobei ein verjüngter Abschnitt an der Position des Ansaugkreises (12) ausgebildet ist, an der der Abgasrückführkreis (15) mit einem Rohrabzweig angeschlossen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein verjüngter Abschnitt an der Position des Ansaugkreises (12) ausgebildet ist, an der der Abgasrückführkreis (15) in einem Rohrabzweig angeschlossen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3,
mit einer Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der Antriebszustände der Brennkraftmaschine einschließlich einer NOx-Abgasmenge;
einer Speichervorrichtung zum vorherigen Speichern eines Sollwertes der NOx-Abgasmenge für die Antriebszustände der Brennkraftmaschine; und
mit einer Steuervorrichtung (33) zum Steuern des Ventilöffnungsgrades von sowohl dem Ansaug- und Abgasbypassventil (20a) und dem Ansaugdrosselventil (12e) gemäß den Antriebszuständen der Brennkraftmaschine (14), so dass der durch die Messaufnehmervorrichtung aufgenommene Betrag der NOx- Abgasmenge der Brennkraftmaschine dem Sollwert der NOx- Abgasmenge entspricht, der von der Speichervorrichtung gespeichert ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, aufweisend einen Ansaugbypasskreis (12c) zum Umgehen des verjüngten Abschnittes des Ansaugkreises (12); und ein Ansaugbypassventil (12d), dessen Öffnungsgrad variiert werden kann, so dass der Ansaugbypasskreis geöffnet und geschlossen werden kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, aufweisend: eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der Antriebszustände der Brennkraftmaschine einschließlich einer NOx-Abgasmenge;
eine Speichervorrichtung zum vorherigen Speichern eines Sollwertes der NOx-Abgasmenge für die Antriebszustände der Brennkraftmaschine; und
eine Steuervorrichtung (33) zum Steuern des Ventilöffnungsgrades von sowohl dem Ansaug- und Abgasbypassventil (20a) und dem Ansaugbypassventil (12d) gemäß den Antriebszuständen der Brennkraftmaschine, so dass der von der Messaufnehmervorrichtung aufgenommene Wert der NOx- Abgasmenge der Brennkraftmachine dem Sollwert der NOx- Abgasmenge entspricht, der durch die Speichervorrichtung gespeichert ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, aufweisend: eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der Antriebszustände der Brennkraftmaschine einschließlich einer NOx-Abgasmenge;
eine Speichervorrichtung zum vorherigen Speichern eines Sollwertes einer NOx-Abgasmenge für die Antriebszustände der Brennkraftmaschine; und
eine Steuervorrichtung (33) zum Steuern des Öffnungsgrades des Ansaugbypassventiles (12d) derart, dass der durch die Messaufnehmervorrichtung aufgenommene Wert der NOx-Abgasmenge der Brennkraftmaschine dem von der Speichervorrichtung gespeicherten Sollwert der NOx-Abgasmenge entspricht, wenn die Brennkraftmaschine bei einer hohen Geschwindigkeit unter hoher Belastung läuft und das Ansaug- und Abgasbypassventil (20a) im Wesentlichen geschlossen ist, und das Ansaugbypassventil (12d) im Wesentlichen geschlossen ist, wenn die Brennkraftmaschine bei einer mittleren Geschwindigkeit unter hoher Belastung läuft, während das Ansaug- und Abgasbypassventil (20a) im Wesentlichen geschlossen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, aufweisend:
eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der Antriebszustände der Brennkraftmaschine einschließlich einer EGR-Rate;
eine Speichervorrichtung zum vorherigen Speichern eines Sollwertes einer EGR-Rate für die Antriebszustände der Brennkraftmaschine; und
eine Steuervorrichtung (33) zum Steuern des Ventilöffnungsgrades von sowohl dem Ansaug- und Abgasbypassventil (20a) und dem Ansaugdrosselventil (12e) gemäß den Antriebszuständen der Brennkraftmaschine, so dass der durch die Messaufnehmervorrichtung aufgenommene Wert der EGR-Rate der Brennkraftmaschine dem Sollwert der EGR-Rate entspricht, der durch die Speichervorrichtung gespeichert ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, aufweisend:
eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der Antriebszustände der Brennkraftmaschine einschließlich einer EGR-Rate;
eine Speichervorrichtung zum vorherigen Speichern eines Sollwertes der EGR-Rate für die Antriebszustände der Brennkraftmaschine; und
eine Steuervorrichtung (33) zum Steuern des Ventilöffnungsgrades von sowohl dem Ansaug- und Abgasbypassventil (20a) und dem Ansaugbypassventil (12d) gemäß den Antriebszuständen der Brennkraftmaschine, so dass die durch die Messaufnehmervorrichtung aufgenommene EGR-Rate der Brennkraftmaschine dem durch die Speichervorrichtung gespeicherten Sollwert der EGR-Rate entspricht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, aufweisend:
eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der Antriebszustände der Brennkraftmaschine einschließlich einer EGR-Rate;
eine Speichervorrichtung zum vorherigen Speichern eines Sollwertes einer EGR-Rate für die Antriebszustände der Brennkraftmaschine; und
eine Steuervorrichtung (33) zum Steuern des Öffnungsgrades des Ansaugbypassventiles (12d) derart, dass der durch die Messaufnehmervorrichtung aufgenommene Wert der EGR-Rate der Brennkraftmaschine dem durch die Speichervorrichtung gespeicherten Sollwert der EGR-Rate entspricht, wenn die Brennkraftmaschine bei einer hohen Geschwindigkeit unter hoher Belastung läuft und das Ansaug- und Abgasbypassventil (20a) im wesentlichen geschlossen ist, und das Ansaugbypassventil (12d) im Wesentlichen geschlossen ist, wenn die Brennkraftmaschine bei einer mittleren Geschwindigkeit unter hoher Belastung läuft und das Ansaug- und Abgasbypassventil (20a) im Wesentlichen vollständig geöffnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 5 bis 7, 9 und 10, aufweisend:
einen Turbinenbypasskreis (17) zum Verbinden der stromaufwärtigen Seite mit der stromabwärtigen Seite der Turbine (11b) des Turboladers (11); und
ein Ablass-Absperrventil (17a), das zum Öffnen des Turbinen­ bypasskreises geöffnet ist, wenn der Druck des Abgases auf der stromaufwärtigen Seite der Turbine (11b) gleich oder größer ist als ein vorbestimmter Wert.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 5,
wobei das Ansaug- und Abgasbypassventil (20a) zwischen der stromabwärtigen Seite des Kompressors (11a) und der stromaufwärtigen Seite der Turbine (11b) und dem Abgasrückführkreis (15) angeordnet ist,
und wobei das Ventil ein Dreiwegeventil (20c) mit einer Schaltposition ist, an der eine Öffnung der stromabwärtigen Seite des Kompressors (11a) geschlossen ist, um die stromaufwärtige Seite der Turbine (11b) an den Abgasrückführkreis (15) anzuschließen und mit einer Schaltposition, an der eine Öffnung der Abgasrückführkreisseite geschlossen ist, um die stromabwärtige Seite des Kompressors (11a) an die stromaufwärtige Seite der Turbine (11b) anzuschließen, und wobei
ein EGR-Kühler (15b) zum Kühlen des Abgases an der Position des Abgasrückführkreises vorgesehen ist, die relativ zur Position, an der das Abgas von dem Dreiwegeventil (20c) zuströmt, an der stromaufwärtigen Seite liegt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei während dem Beginn der Aufwärmphase und dem Antrieb unter geringer Belastung der Brennkraftmaschine das Dreiwegeventil (20c) die Öffnung an der stromabwärtigen Seite des Kompressors (11a) schließt, um die stromaufwärtige Seite der Turbine (11b) an den Abgasrückführkreis (15) anzuschließen, und während anderer Betriebszustände der Brennkraftmaschine das Dreiwegeventil (20c) die Öffnung an der Abgasrückführkreisseite schließt, um die stromabwärtige Seite des Kompressors (11a) an die stromaufwärtige Seite der Turbine (11b) anzuschließen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 5, wobei das Ansaug- und Abgasbypassventil (20a) ein Rückschlagklappenventil (20b) ist, das nur die Strömung in einer Richtung von der stomabwärtigen Seite des Kompressors (11a) an die stromaufwärtige Seite der Turbine (11b) zulässt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Ansaug- und Abgasbypasskreis (20) zum Verbinden der stromabwärtigen Seite des Kompressors (11a) an die stromaufwärtige Seite der Turbine (11b) des Turboladers (11) zwischen einem Kompressorgehäuse (11c) und einem Turbinengehäuse (11d) des Turboladers (11) vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 5 bis 7, 9 und 10, wobei der Abgasdurchgang vom Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine zum Einlass des Turbinengehäuses (11d) des Turboladers (11) in eine Mehrzahl von Durchgängen unterteilt ist, und sowohl der Abgasrückführkreis (15) als auch der Ansaug- und Abgasbypasskreis (20a) an mindestens einem der unterteilten Abgasdurchgänge angeschlossen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Anschlussstelle des Abgasrückführkreises (15) an dem Abgasdurchgang an einer stromaufwärtigeren Seite liegt als die Anschlussstelle des Ansaug- und Abgasbypasskreises (20) an dem Durchgang.
18. Steuervorrichtung zur Abgasrückführung (15) für eine Brennkraftmaschine (14), bei der zwischen einem Ansaugkreis (12) und einem Abgaskreis (16) ein Turbolader (11) und ein Abgasrückführkreis (15) vorgesehen sind, welcher Abgasrückführkreis mittels Abgasrückführschaltventilen geöffnet werden kann, welche Vorrichtung aufweist:
einen Turbinenbypasskreis (17) zum Verbinden der stromaufwärtigen Seite mit der stromabwärtigen Seite der Turbine (11b) des Turboladers (11);
ein Ablass-Absperrventil (17a), das den Turbinenbypasskreis öffnen und schließen kann und dessen Öffnungsgrad steuerbar ist; und
eine Steuervorrichtung (33) zum Steuern des Ventilöffnungsgrades des Ablass-Absperrventils (17a) gemäß den Antriebszuständen der Brennkraftmaschine und der EGR-Rate.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, aufweisend: eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der Antriebszustände der Brennkraftmaschine;
eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der EGR-Rate;
eine Messaufnehmervorrichtung zum Aufnehmen der Ansaugströmungsrate; und
eine Speichervorrichtung zum vorherigen Speichern eines Sollwertes einer Ansaugströmungsrate für die Antriebszustände der Brennkraftmaschine und einer EGR-Rate, wobei die Steuerung des Ablass-Absperrventils (17a) durch die Steuervorrichtung einer Steuerung zum Einstellen des Ventilöffnungsgrades des Ablass-Absperrventiles entspricht, so dass eine Differenz zwischen der aufgenommenen Ansaugströmungsrate und dem Sollwert der durch die Speichervorrichtung gespeicherten Strömungsrate gleich oder kleiner ist als ein vorbestimmter Wert.
20. Vorrichtungen nach Anspruch 18 oder 19, aufweisend: einen Ansaug- und Abgasbypasskreis (20) zum Verbinden der stromabwärtigen Seite des Kompressors (11a) mit der stromaufwärtigen Seite der Turbine (11b) des Turboladers (11); und ein Ansaug- und Abgasbypassventil (20a), dessen Öffnungsgrad variiert werden kann, so dass der Ansaug- und Abgasbypasskreis (20) geöffnet und geschlossen werden kann.
21. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, aufweisend: einen Ansaug- und Abgasbypasskreis (20) zum Verbinden der stromabwärtigen Seite des Kompressors (11a) mit der stromaufwärtigen Seite der Turbine (11b) des Turboladers (11); und ein Rückschlagklappenventil (20b), um die Strömung in dem Ansaug- und Abgasbypasskreis (20) nur in einer Richtung von der stromabwärtigen Seite des Kompressors (11a) zur stromaufwärtigen Seite der Turbine (11b) zuzulassen.
22. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, bei der ein verjüngter Abschnitt an der Position des Ansaugkreises (12) vorgesehen ist, an der der Abgasrückführkreis (15) mit einem Rohrabzweig angeschlossen ist, wobei ein Ansaugbypasskreis (12c) zum Umgehen des verjüngten Abschnittes und ein Ansaugbypassventil (12d) vorgesehen sind, dessen Öffnungsgrad variiert werden kann, so dass der Ansaugbypasskreis (12c) geöffnet und geschlossen werden kann.
23. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, aufweisend: einen Generator (71), der an der stromabwärtigen Seite des Ablass-Absperrventiles (17a) vorgesehen ist, um der rotationsangetriebenden Turbine (11b) eine Drehung aufgrund des Abgasdruckes zu ermöglichen, um elektrische Energie zu erzeugen;
einen ersten Konverter (72), um den durch den Generator erzeugten elektrischen Strom in einen ladefähigen Zustand zu wandeln; und
eine Batterie (73), um den durch den Generator (71) erzeugten elektrischen Strom mittels des ersten Konverters zu speichern.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, aufweisend:
einen Elektromotor (74), der durch die elektrische Energie der Batterie (73) in Drehung versetzt wird, um den Antrieb des Turboladers (11) zu unterstützen; und
einen zweiten Konverter (75) zum Wandeln der elektrischen Energie der Batterie in einen Zustand, so dass der Elektromotor angetrieben und durch den gewandelten elektrischen Strom versorgt werden kann.
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