DE10336102B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Kompensieren von Änderungen der Zusammensetzung eines Luft-Kraftstoffgemisches - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Kompensieren von Änderungen der Zusammensetzung eines Luft-Kraftstoffgemisches Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Kompensieren des Einflusses von stromabwärts einer im Saugrohr einer mehrzylindrischen Brennkraftmaschine angeordneten Drosselklappe bei deren Schließen von der Saugrohrwand abdampfendem Kraftstoff auf das Luft-Kraftstoffverhältnis im Brennraum, indem in das Saugrohr stromabwärts der Drosselklappe zusätzlich zu der Luft, aus der zu einer Gemischbildungseinrichtung ein Gemisch mit einem vorbestimmten Luft-Kraftstoffverhältnis erzeugt wird, Zusatzluft eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzluft unmittelbar in zu den einzelnen Zylindern führenden Einzelsaugrohren zylinderselektiv während des Ansaugtakts des jeweiligen Zylinders eingeleitet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kompensieren von Änderungen der Zusammensetzung eines Luft-Kraftstoffgemisches, das dem Brennraum einer Brennkraftmaschine durch ein Saugrohr hindurch zugeführt wird, welche Änderungen dadurch verursacht sind, dass sich an der Saugrohrwand Kraftstoff niederschlägt.
  • Bei drosselgesteuerten Benzin-Ottomotoren mit Gemischbildung stromoberhalb des Einlassungsventils schlägt sich im Saugrohr zwischen der Drosselklappe und dem Einlaßventil insbesondere beim Schließen der Drosselklappe unter vorbestimmten Betriebsbedingungen an der Saugrohrwand Kraftstoff nieder und bildet einen Wandfilm. Die in dem Film niedergeschlagene Kraftstoffmasse hängt im Wesentlichen vom Kraftstoffmassenstrom ab, der in die Wandfilmablagerung hineinströmt, und dem durch Verdampfung bedingten Kraftstoffmassenstrom, der in Abhängigkeit von Einflußgrößen, wie Saugrohrwandtemperatur, Saugrohrdruck, Saugrohrtemperatur sowie den Verdampfungseigenschaften des Ottokraftstoffes aus dem Wandfilm hinausströmt. Wird die Drosselklappe rasch geschlossen, ändern sich dementsprechend schnell auch die vorgenannten Einflußgrößen. Es kommt zu einer beschleunigten Abdampfung des Wandfilms, die über mehrere Motorzyklen andauern kann. Wird dieser abdampfungsbedingte Kraftstoffmassenstrom nicht zusammen mit einer für eine einwandfreie Verbrennung benötigten Luftmasse dem Brennraum zugeführt, so ist das jeweils verbrennende Gemisch zu fett oder zu mager, woraus hohe Schadstoffemissionen, insbesondere CO- bzw. HC-Emissionen resultieren können.
  • Um dem Problem abzuhelfen, wurde vorgeschlagen, das Schließen der Drosselklappe zu dämpfen.
  • In der DE 38 30 601 C2 , von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen wird, sind ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, bei dem bzw. der in das Saugrohr abhängig vom Kraftstoffniederschlag an der Saugrohrwand Zusatzluft eingeleitet wird, so dass das Problem beseitigt wird, dass beispielsweise bei Schubabschaltung der Saugrohrwand haftender Kraftstoff verdampft und unter Sauerstoffmangel verbrennt, was zur Beeinträchtigung des Katalysators führen kann. Die Zusatzluft wird in ein Sammelsaugrohr eingeleitet, von dem zu den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine führende Einzelsaugrohre abgehen.
  • In der DE 196 47 301 A1 ist ein Verfahren zur Gemischaufbereitung für eine Otto-Brennkraftmaschine durch Einblasen eines Fluidstroms in die zu den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine führende Saugrohre beschrieben. In jedem Einzelsaugrohr sind mehrere Einblasöffnungen vorgesehen, nämlich nahe dem Ventilsitz angeordnete Einblasöffnungen zum Einleiten von Luft in einen innenliegenden Einblasabschnitt eines Tumblebogens, und weitere Einblasöffnungen, die nahe den Einspritzventilen angeordnet sind. Um in der Startphase sowie im Niedriglastbereich die Gemischaufbereitung zu verbessern, wird der zur Einblasung bestimmte Fluidstrom in Pulsation versetzt und in der Startphase oder in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine vorwiegend durch die Einblasöffnungen nahe dem Injektor eingeleitet und mit zunehmender Betriebsdauer während der Warmlaufphase stetig zunehmend in der normalen Betriebsphase durch die Einblasöffnungen nahe dem Ventilsitz eingeleitet.
  • Die DE 696 23 200 T2 beschreibt eine Luft-/Kraftstoffverhältnissteuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine. Das Einlasssystem der Brennkraftmaschine weist einen jedem Zylinder zugeordneten primären und sekundären Ansaugkanal auf mit einer primären Drosselklappe zur Steuerung des Luftstroms durch beide Kanäle und eine sekundäre Drosselklappe zur Steuerung des Luftstroms durch den sekundären Kanal. Ein Änderung der Stellung der Sekundärdrosselklappe insbesondere bei kalten Motorbetrieb wirkt sich stark auf die Menge des im Ansaugkrümmer verbleibenden Kraftstoffes aus. Die Kraftstoffzufuhr wird derart gesteuert, dass die Auswirkungen des Niederschlagens vom Kraftstoff an der Saugrohr wand auf die Zusammensetzung des verbrennenden Gemisches vermindert werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit zu verbessern, mit der der Einfluss von dem von der Saugrohrwand abdampfenden Kraftstoff auf das Luft-Kraftstoffverhältnis des im Brennraum verbrennenden Gemisches kompensiert werden kann.
  • Eine Lösung dieser Aufgabe wird einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 erzielt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird gezielt während des Ansaugtaktes der einzelnen Zylinder im Bedarfsfalle in die zu den einzelnen Zylindern führenden Einzelsaugrohre Zusatzluft eingeleitet, wodurch der Einfluss von abdampfendem Kraftstoff auf die Gemischzusammensetzung zylinderselektiv und sehr genau kompensiert werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es insbesondere möglich, auch bei Motoren mit unterschiedlichen Zündabständen, in denen in den jeweiligen Zylindern insbesondere während der Ventilüberschneidungsphasen unterschiedliche Bedingungen hinsichtlich der Temperatur, des Drucks und der internen Restgasrückführungen herrschen, den Einfluss des von der Saugrohrwand abdampfenden Kraftstoffes auf das Luft-Kraftstoffverhältnis im Brennraum zu kompensieren (siehe Seite 6, Zeilen 1 bis 10). Durch das Einleiten von Zusatzluft nur während der Ansaugphase wird zusätzlich eine hohe Luftgeschwindigkeit unterstützt, die die Gemischbildung vorteilhaft beeinflusst.
  • Der Anspruch 2 kennzeichnet eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Programm, entsprechend dem die elektronische Steuereinrichtung die Korrekturluftventile steuert, kann, empirisch ermittelt werden und/oder durch Modellrechnungen gegeben sein.
  • Mit den Merkmalen der Ansprüche 3 und 4 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise weitergebildet, wobei mit den Merkmalen des Anspruchs 4 die Korrekturventile auch für weitere Funktionen verwendet werden können, beispielsweise, um, das Bremsverhalten des Motors im Schubbetrieb zu beeinflussen (Anspruch 5).
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer schematischen Zeichnung, die eine mehrzylindrische Brennkraftmaschine mit funktionswesentlichen Komponenten schematisch darstellt, in einem nicht einschränkenden Beispiel mit weiteren Einzelheiten erläutert.
  • Gemäß der einzigen Figur weist eine Brennkraftmaschine mit im dargestellten Beispiel vier Zylindern 2 vier Einzelsaugrohre 6 auf. Im Einlaß jedes Einzelsaugrohrs 6 in den Zylinder 2 ist wenigstens ein nicht dargestelltes Einlaßventil angeordnet. In jedem Einzelsaugrohr 6 ist ein Drosselventil bzw. eine Drosselklappe 8 angeordnet, mit der der Durchströmquerschnitt des Saugrohrs 6 zumindest weitgehend verschließbar ist. Stromoberhalb der Drosselklappen 8 sind die Saugrohre 6 zu einem Sammelsaugrohr 10 zusammengeführt, in dem eine Gemischbildungseinrichtung 12 angeordnet ist und das über ein Luftfilter 14 mit der Atmosphäre verbunden ist.
  • Die Gemischbildungseinrichtung 12 kann in Form eines Vergasers oder von vier Einzelvergasern (entsprechend der Zylinderzahl), ggf. mit zusätzlicher elektronischer Beeinflussung der einem Luftstrom zugesetzten Kraftstoffmenge, sein oder ein Einspritzsystem, ggf. mit den einzelnen Zylindern zugeordneten Einzel-Einspritzventilen oder in sonst wie geeigneter Weise ausgebildet sein.
  • Zur Steuerung des Motors ist eine elektronische Steuereinrichtung 18 vorgesehen, deren Eingänge 20 mit verschiedenen Sensoren, wie einem Sensor 22 zur Erfassung der Stellung eines Fahrpedals und nicht dargestellten Sensoren zur Erfassung der durch das Sammelsaugrohr 10 strömenden Luftmenge, der Drehzahl der Brennkraftmaschine, der Temperatur der der Brennkraftmaschine zugeführten Luft, der Temperatur der Saugrohre 6 usw. verbunden sind. Ausgänge der elektronischen Steuereinrichtung 18 liefern Signale zur Steuerung der Menge des Kraftstoffes, der der Frischluft in der Gemischbildungseinrichtung 12 zugeführt wird, der nicht dargestellten Zündeinrichtung der Brennkraftmaschine, von Aktoren 24, mit denen die Stellung der Drosselklappen 8 gesteuert wird und der Korrekturventilluftventile 16. Beispiele der zugehörigen Signalleitungen sind gestrichelt dargestellt, wobei jedes der Korrekturluftventile über eine eigene Leitung mit der Steuereinrichtung 18 verbunden ist. Die Korrekturluftventile 16 sind über je eine Luftleitung 26 stromoberhalb der Gemischbildungseinrichtung 12 mit dem Sammelsaugrohr 10 verbunden.
  • Es versteht sich, dass zur genauen Kenntnis der Stellung der Drosselklappen 8 zusätzliche Drosselklappenstellungssensoren vorgesehen sein können, so dass die Stellung der Drosselklappen unmittelbar erfaßt wird und nicht nur anhand der Betätigung des jeweiligen Aktors 24 erfaßt werden.
  • Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist mit Ausnahme des Betriebes der Korrekturluftventile 16 an sich bekannt und wird daher nur bezüglich der Korrekturluftventile erläutert.
  • Unter stationären oder quasistationären Zuständen wird der Luft in der Gemischbildungseinrichtung 12 eine Kraftstoffmenge derart zugemischt, dass ein Luftkraftstoffgemisch mit beispielsweise stöchometrischer Zusammensetzung entsteht, das einerseits gut verbrennt und andererseits eine optimale Wirksamkeit eines im nicht dargestellten Abgassystem der Brennkraftmaschine vorgesehenen Katalysatorsystems gewährleistet, so dass ein möglichst schadstoffarmer Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt. Von dem des Motors zugeführte Kraftstoffluftgemisch schlägt eine bestimmte Menge Kraftstoff auf die Wände des Einlasskanals nieder und benetzt somit die Kanalwand. Es bildet sich ein sogenannter Wandfilm. Die in dieser Wandfilm gespeicherte Kraftstoffmasse unterliegt ein Gleichgewichtsmechanismus: Es wird gleichzeitig Kraftstoffmasse aus der Gemischaufbereitung dem Wandfilm zugeführt und es wird bedingt durch die vor Ort auftretender Druck und Temperatur, mittels Verdampfung Kraftstoffmasse aus den Wandfilm abgeführt. Wenn die Drosselklappen 8 bei Rücknahme der Betätigung des Fahrpedals oder aus sonstigen Gründen (z. B. Motoreingriff beim Schalten) plötzlich geschlossen werden, ändern sich sowohl der Druck als auch die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung des Wandfilms. Es kommt zu einer verstärkten Verdampfung des Wandfilms, die ohne Gegenmaßnahme zu einer Überfettung des dem Motor zugeführten Gemisch führt. Um das zu vermeiden, wird während des Zeitraums, während dessen der Kraftstoff abdampft, der von den Zylindern angesaugten Luft durch entsprechende Betätigung der Korrekturluftventile 16 Zusatzluft bzw. Korrekturluft zugemischt, die eine vorbestimmte Zusammensetzung des den jeweiligen Zylinder bzw. dessen Brennraum zugeführten Kraftstoffluftgemisches gewährleistet, beispielsweise eine stöchometrische Zusammensetzung. Die Korrekturluftventile 16 werden vorteilhafterweise zylinderselektiv genau während der Ansaugtakte der jeweiligen Zylinder betätigt, in dem sie beispielsweise während einer vorbestimmten Zeitdauer geöffnet werden, so dass in Folge des Unterdrucks stromabwärts der Drosselklappe kraftstofffreie Luft unmittelbar stromabwärts des Filters 14 aus dem Sammelsaugrohr 10 angesaugt wird.
  • Die Bestimmung der jeweils erforderlichen Korrekturluftmenge und daraus resultierend der Öffnungszeitdauer der Korrekturluftventile kann auf empirischer Basis erfolgen, indem Betriebszustände des Motors auf dem Prüfstand simuliert werden und dabei die jeweiligen Steuergrößen ermittelt werden. Der Betrieb kann auch auf Modellrechnungen basieren, in denen die Luftströmung stromabwärts der Drosselklappe abhängig von der Stellung der Drosselklappe, dem Luftdruck und der Lufttemperatur stromoberhalb der Drosselklappe, der Temperatur des Saugrohrs und der Stellung des jeweiligen Kolbens sowie gegebenenfalls weiterer Parameter simuliert wird und unter Berücksichtigung der jeweiligen Kraftstoff- und Wandeigenschaften das Niederschlagen und Abdampfen von Kraftstoff simuliert wird. Es versteht sich, dass dabei auch die Raschheit berücksichtigt werden kann, mit der die Drosselklappen geschlossen oder geöffnet werden. Die Korrekturluftventile werden vorteilhafterweise getaktet angesteuert; es versteht sich, dass sie bei entsprechender Konstruktion auch analog angesteuert werden können, wobei ihr Öffnungsquerschnitt verändert wird.
  • Des weiteren versteht sich, dass bei der Bemessung der Korrekturluft berücksichtigt wird, welche Kraftstoffmenge der angesaugten Luft bei geschlossener Drosselklappe in der Gemischbildungseinrichtung 12 zugemessen wird (z. B. vorhandene oder fehlende Schubabschaltung). Mit zunehmender Abdampfung des Kraftstoffes und damit abnehmender Menge der in Folge der Abdampfung dem Luftstrom stromunterhalb der Drosselklappe zugeführten Kraftstoffes nimmt die Menge der durch die Korrekturluftventile zugeführten Korrekturluft ab.
  • Auch nach vollständiger Abdampfung des Kraftstoffes können, insbesondere wenn nach Schließen der Drosselklappen in der Gemischbildungseinrichtung 12 keine Kraftstoffzumessung mehr erfolgt, die Korrekturluftventile 16 betätigt werden, um beispielsweise das Bremsverhalten des Motors im Schubbetrieb zu beeinflussen.
  • Durch die geschilderte Einzelzylinderzuordnung der Zusatzluftventile 16 und deren zylinderselektiven Steuerung und verstärkt durch die Einzelzylinderzuordnung der Drosselklappen, die bevorzugt möglichst zylindernah sind, wird eine hohe Genauigkeit der Kompensation des Einlasses von Kraftstoffwandablagerungen möglich.
  • Sowohl bei Brennkraftmaschinen mit Einzeldrosselklappen als auch bei einer Ausbildung der Brennkraftmaschine derart, dass im Sammelsaugrohr 10 stromoberhalb oder stromunterhalb der Gemischbildungseinrichtung 12 nur eine, dem Motor insgesamt zugeordnete Drosselklappe angeordnet ist, werden die einzelnen Zylindereintströmungen durch sich während der Ventilüberschneidungsphasen ausbildende Druckwellen beeinflußt. Dies gilt insbesondere für Mehrzylindermotoren, bei denen die Zündabstände unsymmetrisch sind.
  • Unsymmetrische Zündabstände führen in Verbindung mit der Auslegung des Abgassystems dazu, dass sich während der Ventilüberschneidungsphasen der Zylinder unterschiedliche Restgasmengen im Saugrohrvolumen zwischen Einlaßventil und geschlossenen Drosselklappen einstellen können. Auch bei symmetrischen Zündintervallen können Unterschiede in der Abgasrohrführung der Zylinder zu unterschiedlicher Druckwellenbeaufschlagung in der Ventilüberschneidungsphase und damit zu ungleichen Verhältnissen in den jeweiligen Saugrohren 6 führen. Diese Verhältnisse können simuliert und bei Einzelzylinderzuordnung der Korrekturluftventile berücksichtigt werden. Bei nur einem, allen Zylindern gemeinsamen Korrekturluftventil stromabwärts einer gemeinsamen Drosselkappe ist eine solche genaue Korrektur nicht möglich.
  • Es versteht sich, dass die Erfindung in vielfältiger Weise abgeändert werden kann. Beispielsweise können die den einzelnen Zylindern bzw. Saugrohren zugeordneten Korrekturluftventile auch verwendet werden, wenn jedem Saugrohr ein eigenes Gemischbildungssystem zugeordnet ist. Des weiteren können die Korrekturluftzusatzventile auch in Betriebszuständen eingesetzt werden, wo das Abdampfen von Kraftstoff aus Bereichen stromoberhalb der Drosselklappen korrigiert werden muß, beispielsweise nach einem Kaltstartvorgang, wo sich Kraftstoff unter Umständen zunächst an der gesamten, kalten Saugrohrinnenwand niederschlägt. Die Drosselklappen 8 können unmittelbar mechanisch mittels des Fahrpedals betätigt werden.
  • 4
    Zylinder
    6
    Saugrohr
    8
    Drosselklappe
    10
    Sammelsaugrohr
    12
    Gemischbildungseinrichtung
    14
    Luftfilter
    16
    Korrekturluftventil
    18
    elektronische Steuereinrichtung
    20
    Eingänge
    22
    Sensor
    24
    Aktor

Claims (4)

  1. Verfahren zum Kompensieren des Einflusses von stromabwärts einer im Saugrohr einer mehrzylindrischen Brennkraftmaschine angeordneten Drosselklappe bei deren Schließen von der Saugrohrwand abdampfendem Kraftstoff auf das Luft-Kraftstoffverhältnis im Brennraum, indem in das Saugrohr stromabwärts der Drosselklappe zusätzlich zu der Luft, aus der zu einer Gemischbildungseinrichtung ein Gemisch mit einem vorbestimmten Luft-Kraftstoffverhältnis erzeugt wird, Zusatzluft eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzluft unmittelbar in zu den einzelnen Zylindern führenden Einzelsaugrohren zylinderselektiv während des Ansaugtakts des jeweiligen Zylinders eingeleitet wird.
  2. Vorrichtung zum Kompensieren von Änderungen der Zusammensetzung eines Luft-Kraftstoffgemischkrümmers, das den Brennräumen einer mehrzylindrischen Brennkraftmaschine durch ein Saugrohr (6, 10) hindurch zugeführt wird, welche Änderungen dadurch verursacht sind, dass sich an der Saugrohrwand Kraftstoff niederschlägt, enthaltend wenigstens ein stromabwärts einer in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine angeordneten Drosselklappe (8) angeordnetes Korrekturventil (16), eine Einrichtung (18, 24) zum Erfassen wenigstens der Schließstellung der Drosselklappe und eine elektronische Steuereinrichtung (18), welche das Korrekturluftventil nach einem Schließen der Drosselklappe derart öffnet, dass zusätzlich zu der Luft, aus der zu einer Gemischbildungseinrichtung ein Gemisch mit einem vorbestimmten Luft-Kraftstoffverhältnis erzeugt wird, Zusatzluft in einer Menge in das Saugrohr eingeleitet wird, dass bei von der Saugrohrwand abdampfendem Kraftstoff im Brennraum zumindest annähernd ein vorbestimmtes Luft-Kraftstoffverhältnis erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem zu einem Zylinder führenden Einzelsaugrohr (6) zwischen der Drosselklappe (8) und einer Einlassventileinrichtung des jeweiligen Zylinders ein Korrekturventil (16) angeordnet ist und die elektronische Steuereinrichtung (18) die Korrekturventile zylinderselektiv während des Ansaugtaktes des jeweiligen Zylinders betätigt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Einzelsaugrohr (6) eine Drosselklappe (8) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturventile (16) nach Abdampfen des Kraftstoffes abhängig von Betriebsparametern eines Kraftfahrzeugs betätigt werden.
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