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Luftverdichtende selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine mit einer
durch einen Temperaturfühler geregelten Rückführung von Abgasen in das Ansaugsystem
Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine
mit einer durch einen Temperaturfühler geregelten Rückführung von Abgasen in das
Ansaugsystern der Brennkraftmaschine. Es wird hier, wie bereits anderweitig vorgeschlagen,
von einem Regelgesetz ausgegangen, nach dem mit abnehmendem Temperaturniveau des
Motors das Abgasrückführungs-Stellglied z. B. eine Drosselklappe, weiter geöffnet
werden muß, so daß die Abgasrückführmenge vergrößert wird. Bei einer nach diesem
Regelgesetz bisher arbeitenden Regelungseinrichtung für die Abgasrückführung ist
der Fühler an einer geeigneten Stelle innerhalb der Abgasleitung angeordnet,
d. h., dieses Organ, beispielsweise ein Temperaturfühler, wird unmittelbar
von den heißen Abgasen beaufschlagt. In Abhängigkeit von der dem Temperaturniveau
des Motors proportionalen Abgastemperatur wird dann im Sinne des oben angeführten
Regelgesetzes das beispielsweise als Drosselklappe ausgebildete Stellglied für die
Menge der zurückzuführenden Abgase selbsttätig verstellt.
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Nun ist es aber nicht mehr erwünscht, einen solchen auf Temperaturunterschiede
ansprechenden Temperaturfühler den meistens sehr heißen Abgasen auszusetzen, denn
es besteht dabei immer die Gefahr, daß an diesem Reglerfühler Verzunderungen und
Korrosionsschäden durch chemisch aggressive Bestandteile der Abgase auftreten, durch
welche die Funktion des Fühlers und damit die Funktion der gesamten Regelungseinrichtung
wesentlich beeinträchtigt wird. Die Folge hiervon ist, daß die Menge der zurückzuführenden
Abgase ungenau und nicht der jeweils vorgesehenen, auf optimale Kraftstoffausnutzung
und Mitteldruck abgestimmten Gesetzmäßigkeit entspricht. Des weiteren wirken sich
bei einer derartigen Anordnung des Reglerfühlers die durch schroffe Änderungen der
Abgastemperatur bedingten Wärmeschocks ungünstig auf die Lebensdauer dieses Gliedes
der Regelungsanlage aus. Schließlich ist bei der ins Auge gefaßten Regelungseinrichtung
noch von Nachteil, daß die vom Fühler erfaßte Meßgröße infolge der hohen Temperatur
und der starken Verschmutzungswirkung des Meßmediums (Abgase) erst durch besondere,
außerhalb des Meßmediums angeordnete Anlageteile in einen Verstellimpuls für das
Abgasrückführungs-Stellglied umgeformt werden muß.
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Durch die Erfindung wird nun ein Weg gezeigt, wie diese Nachteile
vermieden werden können. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß als Regelgröße
für die Abgasrückführung die im Vergleich zur Ab-
cFastemperatur wesentlich
niedrigere Temperatur des von der Brennkraftmaschine im Ansaugsystem angesaugten
Gemisches von Frischluft und zurückgeführten Abgasen dient, wobei der Temperaturfühler
in an sich bekannter Weise im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
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Auf diese Art werden im Zusammenhang mit einer regelten Rückführung
von Abgasen in das Ansaugsystem einer Einspritzbrennkraftmaschine erstmalig die
schädlichen Einflüsse des auf den Temperaturfühler wirkenden Mediums im vorliegenden
Falle die motorischen Abgase berücksichtigt, indem dieser Temperaturfühler in eine
Zone des Abgasrückführungssystems gelegt wird, in der das infolge der Vennischung
der Abgase mit Frischluft abgekühlte Medium den Temperaturfühlex umströmt, so daß
die Abgase diesem Fühler nicht mehr schaden bzw. dessen Wirkungsweise nicht mehr
beeinträchtigen können, ohne daß deswegen das angewendete Regelgesetz als solches
verändert wird. Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich noch, daß im Falle der Verwendung
von rußige Abgase bildenden Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen die Verrußung des Reglerfühlers
infolge des Verdünnungseffektes durch die angesaugte Frischluft wesentlich geringer
ist als bei einem von unvermischten Abgasen heaufschlagten Reglerfühler. Schließlich
wird durch eine derartige Lage des Temperaturfühlers und den sich damit ergebenden
geringen konstruktiven Aufwand trotzdem eine sehr
hohe Regelgüte
erreicht. Letzteres ist besonders für Fahrzeugmotoren mit ihren den ganzen Last-
und Drehzahlbereich umfassenden Betriebszuständen von Bedeutung, die zudem noch
häufig (beim Beschleunigen und Verzögern) instationär sind. Wie sich außerdem durch
eingehende Versuche auf dem Prüfstand gezeigt hat, kommt der Güte der Abgasrückführungsregelung
sogar eine entscheidende Bedeutung in den Fällen zu, in deherf extrem zündunwillige
und deshalb in Dieselmotoren bis jetzt nicht benutzbare Kraftstoffe, beispielsweise
niedrige Alkohole (Methylalkohol, Äthylalkohol) sowie flüssige Kohlenwasserstoffe
mit extrem hohem Gehalt an Aromaten (z. B. Benzin-Bezol-Gernisch) und/oder an sogenannten
Antiklopfzusätzen (Superkraftstoffe), verwendet werden sollen.
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Zwar ist es bei einem Vergasermotor bekanntgeworden, das aus dem Vergaser
angesaugte Kraftstoff-Luft-Gemisch (Vergasergemisch) durch motorische Abgase anzuwärm:,en.
Hierbei wird in der Ansaugleitung des Motors ein die Temperatur des Vergasergemisches
regelnder Temperaturfähler angeordnet. Auch bei dieser bekannten Einrichtung wird
als Regelgröße die Temperatur eines Mediums nach einem Mischungsvorgang herangezogen
und durch den Temperaturfühler eine das Mischungsverhältnis verändernde Klappe verstellt.
Jedoch werden nicht die beiden Medien Abgase und Vergasergemisch miteinander vermischt,
sondem es ist eine abgasbeheizte Kammer vorgesehen, durch die ein Teil des Vergasergemisches
in gesteuerter Menge fließt. Der durch die Abgase vorgewärmte Teil der Frischgase
wird mit den nicht vorgewärmten Frischgasen gemischt. Deshalb sind hier Schutzmaßnahmen
für den Temperaturfühler nicht erforderlich, so daß auch das Problem des Schutzes
für den Temperaturfühler abseits aller Betrachtungen liegt.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausfüh#rungsbeispiel schematisch
dargestellt. Hierbei zeigt Fig. 1 eine Abgasrückführungs-Regelungseinrichtu#ng
in Seitenansicht und Fig. 2 die Regelungsvorrichtung von vorn gesehen. Mit
1 ist eine luftdichtende selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine bezeichnet.
Die Abgase dieser Brennkraftmaschine werden über Leitungen 2, von denen in der Zeichnung
nur eine einzige sichtbar ist, in einen als Auspufftopf ausgebildeten Sammelbehälter3
geleitet. Von dort aus kann ein Teil der Abgase oder auch deren Gesamtmenge durch
die Abgasleitung4 ins Freie gelangen. Die Abgasleitung 4 ist über eine Abzweigleitung
5, welche bei 7
in den Ansaugkrümmer-Anschlußstutzen 10
a für das Ansaugrohr 6 einmündet, an das Ansaugsystern des Motors
1 angeschlossen. Noch vor der Einmündungsstelle 7 der Abzweigleitung
5 in den Ansaugkrümmer-Anschlußstutzen 10 a ist in der Abzweigleitung
5 ein als Drosselklappe ausgebildetes Abgasrückführungs-Stellglied
8 angeordnet, das als Steuerorgan für die jeweils rückzuführenden Abgasmengen
dient. In Richtung des Strömungspfeiles 9 gesehen ist hinter der Einmündungsstelle
7 im Ansaugkrümmer 10 ein als Fühler für die Regelungseinrichtung
und gleichzeitig als Verstellimpulsgeber für das Abgasrückführungs-Stellglied
8 wirkendes wärmeempfindliches Glied des geschlossenen Regelkreises angeordnet,
das in der einfachen Form eines handelsüblichen, billigen flüssigkeitsgefüllten
Balgthermostaten ausgebildet ist. Der Ansaugkrümmer 6 ist über seine als
Ansaugstutzen bezeichneten Abzweigleitungen 10b an die Einlaßkanäle der einzelnen
Motorzylinder angeschlossen.
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Der temperaturabhängig bewegliche Teil lla des Temperaturfühlers
11 ist, wie aus, Fig. 2 hervorgeht, über ein Gestänge 12 mit dem Arm 13a
des auf der Drosselklappenwelle Sa befestigten zweiarmigen Hebels 13 für
die Verdrehung des Abgasrückführungs-Stellgliedes8 gelenkig verbunden. Am freien
Ende des Armes 13b des zweiarmigen Hebels 13 ist eine Rückzugfeder
14 angeschlossen. Hierdurch wird unerwünschtes Pendeln der Regelungseinrichtung
weitgehend unterdrückt, denn auf den temperaturabhängig beweglichen Teil Ila des
Balgthermostaten wird, bedingt durch die Zugfederkraft 14b, entsprechend dem Verhältnis
der Hebelarme 13a und 13b eine der Ausdehnungsrichtung des Teiles lla entgegengesetzt
gerichtete Kraft 14a ausgeübt, die bestrebt ist, die Grundstellung des temperaturabhängig
beweglichen Teiles lla wiederherzustellen.
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Die Regelungseinrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel arbeitet wie
folgt: Nimmt bei dieser Regelungseinrichtung infolge abnehmender Belastung und/oder
abfallender Drehzahl und/oder absinkender Außentemperatur die Motortemperatur ab,
dann fällt auch die Abgastemperatur entsprechend ab. Als Folge hiervon sinkt zunächst
die Temperatur des den Ansaugkrümmer 10 durchströmenden Gemisches aus angesaugter
Frischluft und zurückgesaugten Abgasen unter die vom Temperaturfühler einzusteRende
Solltemperatur. Dadurch wird der Temperaturfühler durch Zusammenziehen seines temperaturabhängig
beweglichen Teiles lla zu einer direkten Abgabe eines Verstellimpulses an das Abgasrückführungs-Stellglied
8 im Sinne einer Vergrößerung des Abgasrückstromes veranlaßt, d. h.,
der Temperaturfühler 11 verstellt über das Hebelgestänge 12, 13 das
Abgasrückführungs-Stellglied 8 in Richtung eines größeren Durchströmquerschmttes.
Umgekehrt reagiert die erfindungsgemäße Regelungseinrichtung, wenn sich die Betriebsbedingungen
so ändern, daß der Motor heißer wird.
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Der oben bereits besonders hervorgehobene Vorteil der erfindungsgemäßen
Regelungseinrichtung, nämlich die sehr hohe Regelgilte, ist hauptsächlich darauf
zurückzuführen, daß der temperaturabhängig bewegliche Teil 11 a des gleichzeitig
als Reglerfühler und als Verstellimpulsgeber arbeitenden Temperaturfühlers
11 von einem schnellströmenden Medium beaufschlagt wird. Es ergeben sich
dadurch bekanntlich gute Wärmeübertragungsverhältnisse, was im vorliegenden Fall,
wie durch Versuche bestätigt wurde, die Ansprechempfindlichkeit und die Regelungsgeschwindigkeit
derart günstig beeinflußt, daß selbst bei Betrieb mit extrem zündunwilligen Methyl-
oder Äthylalkoholen ein durch sehr langen Leerlauf (> 1 Stunde) weitgehend
ausgekühlter Dieselmotor ein befriedigendes Beschleunigungsverhalten zeigt. Infolge
seiner durch die Wellung bedingten großen Wärmeaustauschoberfläche hat sich in dieser
Beziehung der im vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel vorgesehene normale
handelsübliche Balgthermostat mit Flüssigkeitsfüllung, wie er beispielsweise am
Kühlmittelventil in den Kühlmittelkreisläufen neuzeitlicher Motoren verwendet wird,
als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Aus dem gleichen Grunde hat sich als Temperaturfühler und Verstellimpulsgeber
auch ein an sich bekann-ter Birnetallkörper zufriedenstellend bewährt, bei dem der
auf Wärme reagierende Teil zur Erlangung
eines genügend großen Hubes
aus einer Vielzahl von aufeinandergeschichteten Bimetallscheiben besteht.
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Als Temperaturfühler und Verstellimpulsgeber für die Abgasrückführungs-Regelungseinrichtung
genügend hoher Ansprechempfindlichkeit und Regelgeschwindigkeit kommen auch die
ebenfalls am Kühlwasserventil in Kühlwasserkreisläufen von Motoren eingesetzten
sogenannten Wachsthermostaten in Betracht, sofern die Wärmeaustauschoberfläche durch
Verrippung ausreichend groß gemacht wird.
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Entsprechend der Wirkungsweise eines Temperaturfühlers erfolgt im
Falle der Verwendung eines einfachen flüssigkeitsgefüllten Balgthennostaten die
Dosierung der zurückgeleiteten Abgabe derart, daß immer nur so viel Abgase ins Ansaugsystem
zurückgeführt werden, wie zur Erreichung einer Solltemperatur des Frischluft-Abgas-Gemisches
erforderlich sind. Die Solltemperatur liegt dabei innerhalb eines Regelbereiches,
dessen Grenzen durch die Ansprechtemperatur des Temperaturfühlers und durch die
(höher liegende) Temperatur gekennzeichnet sind, bei welcher der temperaturabhängig
bewegliche Teil des Temperaturfühlers seine volle Ausdehnung erreicht.
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Die zweckmäßige Höhe der Solltemperatur richtet sich nach der Zündwilligkeit
des verwendeten Kraftstoffes und auch nach der jeweiligen Zielsetzung der Abgasrückführung.
Diese Solltemperatur muß von Fall zu Fall durch Versuche ermittelt werden. Ganz
allgemein kann festgestellt werden, daß die Solltemperatur um so höher gewählt werden
muß, je zündunwilliger der jeweils verwendete Kraftstoff ist.
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Versuche haben gezeigt, daß es für die Ansprechempfindfichkeit und
Regelgeschwindigkeit der Regefungseinrichtung vorteilhaft und bei bestimmten Betriebsfällen
sogar von ausschlaggebender Bedeutung ist, wenn eine Abnahme der durch die Rückzugfeder
14 hervorgerufenen Rückstellkraft 14a, wie sie bei einem sich öffnenden Abgasrückführungs-Stellglied
8
wegen Verkürzung der Zugfeder 14 eintritt, weitgehend hintangehalten wird.
Andernfalls sinkt nämlich infolge der abnehmenden Vorbelastung des temperaturabhängig
beweglichen Teiles 11 a die Temperatur des vom Motor angesaugten,
aus Frischluft und zurückgeführten Abgasen bestehenden Gemisches gerade dann immer
mehr ab, wenn es am wenigsten erwünscht ist, nämlich bei abnehmender Motortemperatur.
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Um diesen Nachteil, der naturgemäß besonders bei Verwendung extrem
zündunwilliger Kraftstoffe nicht nur zu einer Kraftstoffvergeudung infolge einer
schlechten motorischen Verbrennung führt, sondern darüber hinaus infolge Zündaussetzern
und vollständigen Ausfallens der Zündung bei einzelnen Zylindern einen tragbaren
Betrieb überhaupt in Frage stellen kann, zu vermeiden oder zumindest auf ein zulässiges
Maß einzuschränken, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung noch vorgeschlagen,
die Länge des Hebelarmes 13 b, an dem die Rückzugfeder 14 angreift,
möglichst klein zu halten, damit bei einer bestimmten Änderung des Drehwinkels des
Abgasrückführungs-Stellgliedes 8 sich der hebelarmseitige Angriffspunkt der
Rückzugfeder 14 nur wenig gegenüber dem Fixpunkt 15 der Rückzugfeder 14 verschiebt.
Hierdurch ändert sich die Länge und damit die Federkraft 14 b der
Rückzugfeder nur relativ geringfügig. Ferner wird vorgeschlagen, eine möglichst
weiche Rückzugfeder 14 zu verwenden, um zu erreichen, daß unvermeidbare Änderungen
der Rückzugfederlänge infolge der Verstellung des Abgasrückführungs-Stellgliedes
8 eine nur relativ kleine Änderung der Federkraft 14 b der
Rückzugfeder 14 zur Folge haben.
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Beide Maßnahmen bewirken, daß die Rückstellkraft 14a weitgehend unabhängig
von dem Drehwinkel (Öffnungswinkel IPAR) des Abgasrückführungs-Stellgliedes
8 wird und damit die am vorstehenden angeführte nachteilige Abnahme der auf
den temperaturabhängig beweglichen Teil 11 a im Sinne einer auf Zusammendrücken
wirkenden Rückstellkraft 14a mit abnehmender Motortemperatur hintanhält.