DE19720643A1

DE19720643A1 - Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE19720643A1
Application number: DE19720643A
Authority: DE
Inventors: Hans Klein
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 1997-05-16
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 1998-11-19

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, mit einem Ansaugrohr, einem Abgasrohr und einer Abgasrückführleitung, wobei die Abgasrückführleitung in das Ansaugrohr mündet, mit einem steuerbaren Abgasrückführventil, mit einem ersten Temperatursensor, der im Bereich der Mündungsstelle der Abgasrückführleitung in das Ansaugrohr eingesetzt ist, und mit einem zweiten Temperatursensor, der die Temperatur der Luft im Ansaugrohr erfaßt, und mit einem Steuergerät, welches die Differenz der vom ersten und vom zweiten Temperatursensor erfaßten Temperaturwerte zur Erfassung der Abgasrückführrate auswertet.

Zukünftige Schadstofflimitierungen, deren Zahlenwerte bereits jetzt diskutiert werden, lassen sich insbesondere mit direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen nur unter Einsatz eines auf die Saugseite rückgeführten Teils des Abgasmassenstroms unterschreiten. Um die Emission von Stickstoffoxiden so gering wie möglich zu halten, muß der Anteil des rückgeführten Abgases an der Zylinderladung möglichst hoch eingestellt werden. Dabei kann hierdurch sowohl die Partikelemission (bei einem Dieselmotor) in unzulässiger Weise erhöht werden als auch die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe (HC). Hier gilt es, für die Rückführrate einen Kompromiß für alle Schadstoffarten anzustreben, das heißt, die Rückführrate für jeden Betriebspunkt möglichst hoch (für die Stickstoffoxide), aber niedrig genug für HC und Partikel einzustellen.

Erschwerend kommt hier allerdings hinzu, daß die Brennkraftmaschine im Fahrzeugeinsatz ja nicht stationär betrieben wird, sondern, im Gegenteil, hochdynamisch, mit ständig sich ändernden Betriebspunkten, Last und Drehzahl betreffend. Die einzuhaltende Partikelgrenze ist jedoch in starkem Maße von dem Betriebspunkt des Motors abhängig. Hierdurch bedingt, muß die Rate (Anteil) des rückgeführten Abgases ständig dem neuen Betriebspunkt angepaßt werden. Wenn die Rückführrate, wie eingangs gefordert, möglichst hoch sein soll, geht dies nur mit einem sehr schnellen und exakt zumessenden Abgasrückführventil. Darüber hinaus muß die Rückführrate geregelt werden, da aufgrund von Verschmutzungen und Ablagerungen mit sich ändernden Durchflußcharakteristika des Abgasrückführventils zu rechnen ist.

Bei bestehenden und bekannten Systemen wird diese Regelung durchgeführt, indem ein betriebspunktabhängiger und kennfeldprogrammierter Luftmassensollwert verglichen wird mit einem Signal eines einzig hierfür eingesetzten Luftmassenmessers, dessen Bauart in der Regel die eines Heißfilmluftmassenmessers ist. Weicht der tatsächliche Wert vom programmierten Sollwert ab, wird der Aktuator des Abgasrückführventils veranlaßt, einen mehr oder weniger großen Querschnitt für den rückzuführenden Abgasstrom freizugeben. Reicht für eine Erhöhung der Rückführrate bei voll geöffnetem Ventil das Druckgefälle zwischen Abgaskrümmer und Saugrohr nicht aus, muß durch eine eigens hierfür angebrachte Saugdrossel das Druckgefälle soweit erhöht werden, bis die betriebspunktabhängige Rückführrate erreicht ist. Die Saugdrossel ist hierbei in der Regel als eine durch Unterdruck betätigte Drosselklappe ausgeführt.

Aus der DE 41 20 196 A1 ist bekannt, im Bereich der Mündungsstelle der Abgasrückführleitung in das Ansaugrohr einen dem Gemisch von Abgas und Ansaugluft ausgesetzten Temperatursensor vorzusehen.

Der von diesem Temperatursensor erfaßte Temperaturwert, bzw. in einer weiteren Ausgestaltung mit der Temperaturdifferenz zum Temperaturwert eines zweiten die Temperatur der Ansaugluft erfassenden Temperatursensors, wird mit einem in einem Kennfeld erfaßten, von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängigen Temperatursollwert verglichen, um so die Abgasrückführung zu überwachen oder gar zu steuern.

Das dargestellte Abgasrückführsystem ist insofern vorteilhaft, da durch die Verwendung von Temperatursensoren ein Luftmassenmesser eingespart werden kann, welcher für seine Anordnung im Motorraum ein gewisses Maß an gerader Strömungsführung erfordert, wodurch dessen Einbau bei beengten Platzverhältnissen in einem Kraftfahrzeug mitunter problematisch sein kann.

Allerdings ist die Verwendung eines oder auch zweier Temperatursensoren, insbesondere zur Steuerung der Abgasrückführung, nicht optimal, da hierzu eine Vielzahl von Betriebsparametern in Kennfeldern erfaßt werden muß.

So kann sich bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen beispielsweise allein durch die Änderung des Zündzeitpunktes die Abgastemperatur ändern, was zu einer Veränderung der erfaßten Temperatur oder Temperaturdifferenz führt, auch wenn sich die Abgasrückführrate gar nicht verändert hat. Hinsichtlich der Erfassung verschiedener Gastemperaturen ist ein solches System daher noch verbesserungsfähig.

Weiterhin wird aufgrund der bereits angesprochenen, sehr beschränkten Platzverhältnisse im Motorraum eines Kraftfahrzeuges ein noch weitaus kompakterer Aufbau eines Abgasrückführsystems angestrebt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges Abgasrückführsystem zu schaffen, welches sich durch einen möglichst kleinbauenden, kompakten Aufbau auszeichnet und zudem eine besonders kleinbauende, kostengünstige und zweckmäßige Sensorik zur Erfassung von Gastemperaturen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste und der zweite Temperatursensor durch die beiden Temperaturmeßstellen eines einzigen Thermoelementes ausgebildet sind und daß ein zweites Thermoelement vorgesehen ist, welches die Temperaturdifferenz zwischen der Lufttemperatur im Ansaugrohr und der Abgastemperatur in der Abgasrückführleitung erfaßt.

Die Verwendung von Thermoelementen als Temperatursensoren erweist sich, gerade bei einer Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine, in vielerlei Hinsicht als vorteilhaft.

So sind Thermoelemente kostengünstig und kleinbauend, was sich besonders für den kompakten Aufbau einer solchen Vorrichtung für den Anbau in einem Kraftfahrzeug als vorteilhaft erweist.

Prinzipbedingt, erfassen Thermoelemente Temperaturdifferenzen zwischen zwei Meßstellen; die in der DE 41 20 196 A1 vorgesehenen zwei Temperatursensoren, deren Temperaturdifferenz ausgewertet werden, können daher durch ein einziges kostengünstiges Thermoelement ersetzt werden. Das Steuergerät erhält zudem direkt einen die Temperaturdifferenz repräsentierenden Spannungswert als Meßwert des Thermoelementes zugeführt, wodurch eine hard- oder softwaremäßige Differenzbildung innerhalb des Steuergerätes nicht erforderlich ist.

Vorteilhaft ist auch, daß sich die Meßstellen von Thermoelementen, die sich als die Berührstellen von Drähten verschiedener Metalle ausführen lassen, räumlich sehr klein ausbilden lassen und daher eine sehr kleine Wärmekapazität besitzen und somit recht reaktionsschnell auf Temperaturänderungen reagieren können.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines zweiten Thermoelementes welches die Temperaturdifferenz zwischen der Abgastemperatur und dem Temperaturwert der Luft im Ansaugrohr erfaßt. Wie in der nachfolgenden Beschreibung noch gezeigt wird, kann man aus den beiden durch die Thermoelemente erfaßten Temperaturdifferenzwerte bereits in erster Näherung die Abgasrückführrate bestimmen.

Ebenfalls von Vorteil ist, daß zur Steuerung der Abgasrückführung kein zusätzlicher Luftmassenmesser benötigt wird. Die Verwendung von Luftmassenmesser ist insbesondere deshalb nachteilig, weil sie zur Messung einen Anbaubereich mit einer geraden Strömungsführung erfordert, was den Aufbau einer besonders kompakten Abgasrückführeinrichtung zumindest erschwert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen einer erfindungsgemäßen Abgasrückführvorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So ist es vorteilhaft, die Mündungsstelle der Abgasrückführleitung in das Ansaugrohr als Mischkammer auszubilden und die Meßstellen der Thermoelemente in den Verbindungsleitungen von und zur Mischkammer anzuordnen, wodurch die Abgasrückführvorrichtung einen besonders kompakten Aufbau erhält. Im Bereich der Mischkammer und der Thermoelemente können zudem auch das Abgasrückführventil sowie bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen eine Druckregelklappe vorgesehen werden. Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen kann an der Stelle der Druckregelklappe die Drosselklappe angeordnet werden. Besonders vorteilhaft hinsichtlich einer angestrebten, möglichst geringen Baugröße ist es, diese Elemente zu einer Baueinheit zusammenzufassen, wobei zweckmäßigerweise auch die Betätigungsvorrichtungen des Abgasregelventils und der Druckregelklappe in diese Baueinheit integriert sind.

Die Betätigungsvorrichtungen sind dabei vorteilhafterweise als elektromotorische oder elektromagnetische Aktuatoren ausgebildet. Dies ermöglicht nicht nur eine besonders kleinbauende Ausführung der Betätigungsvorrichtungen, sondern spart die bei pneumatischen Aktuatoren benötigte zusätzliche Unterdruckversorgung ein. Weiterhin werden keinerlei elektropneumatische Druckwandler benötigt.

Elektromotorische oder elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen können zudem direkt durch das Steuergerät angesteuert werden und besitzen im Vergleich zu pneumatischen Betätigungsvorrichtungen ein direktes und schnelles Ansprechverhalten und ermöglichen so eine exaktere Dosierung.

Vorteilhaft ist auch, daß mit den Thermoelementen erfaßten Temperaturdifferenzwerten (T_Sauggemisch - T_Luft) bzw. (T_AGR - T_Luft) mit (T_AGR = Temperatur des rückgeführten Abgases; T_Luft = Temperatur der Ansaugluft) bereits die wesentlichen Größen zur Bestimmung der Abgasrückführrate x_AGR vorbekannt sind, wie folgender Ansatz zeigt:

Erster Hauptsatz der Thermodynamik:

Massenbilanz:

Einzelenthalpien:

Daraus folgt unter der hinreichend genauen Annahme:

und nach weiteren Umformungen:

Der erste und wesentliche Term zur Bestimmung der Abgasrückführrate x_AGR ergibt sich somit als einfaches Verhältnis der durch die Thermoelemente bestimmten Temperaturdifferenzen. Der zweite Term beschreibt die Wärmeverluste pro Massenrate des Sauggemisches und ist bei einer Isolierung der Mischkammer durch eine geeignete innere und äußere Beschichtung möglichst klein zu halten und darüber hinaus eine z. B. über eine Kennfeldanpassung applizierbare Größe.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung zur geregelten Abgasrückführung;

Fig. 2 eine Schemazeichnung der zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gehörenden Temperatursensorik.

In der Fig. 1 ist der Aufbau einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasrückführung dargestellt: Von einem Luftfilter (1) führt ein Ansaugrohr (2) über eine Mischkammer (G) zu einem Saugrohr (4) einer Brennkraftmaschine (5). Mit der Brennkraftmaschine (5) verbunden ist mindestens ein Abgasrohr (6), welches über eine Abgasrückführleitung (8) mit der Mischkammer (6) in Verbindung steht.

In das Ansaugrohr (2) ist eine Druckregelklappe (A) eingesetzt; in der Verbindung der Abgasrückführleitung (8) zur Mischkammer (G) befindet sich ein Abgasrückführventil (B). Sowohl die Druckregelklappe (A) wie auch das Abgasrückführventil (B) ist durch eine elektromotorische Betätigungsvorrichtung (I bzw. H) betätigbar, welche durch ein Steuergerät (10) ansteuerbar ist.

Das Steuergerät (10) ist elektrisch mit einem Drehzahlsensor (7) verbunden, welcher die Drehzahl der Brennkraftmaschine (5) erfaßt. Weiterhin steht das Steuergerät (10) mit einem vom Fahrer betätigbaren Fahrpedalgeber (9) in elektrischer Verbindung. Des weiteren erhält das Steuergerät (10) die Signale von zwei Thermoelementen, deren vier Meßstellen (C, D, E, F) in der Fig. 1 dargestellt sind.

Die Anordnung der Thermoelemente (T1, T2) ist in der Fig. 2 näher skizziert.

Ein Thermoelement (T1, T2) besteht jeweils aus zwei unterschiedlichen metallischen Leitern, die an ihren Enden jeweils miteinander verschweißt sind. Die als Meßstellen (C, D, E, F) fungierenden Kontaktstellen werden jeweils zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus ausgesetzt, nämlich einmal der Luft im Ansaugrohr (2) und im Sauggemisch des Saugrohres (4), das andere Mal in der Luft des Ansaugrohres (2) und im rückgeführten Abgasstrom der Abgasrückführleitung (8). Bedingt durch die Temperaturdifferenzen, entstehen Thermospannungen (U1, U2), die durch eine entsprechende Schaltung, beispielsweise eine Brückenschaltung, im Steuergerät ausgewertet werden. Wichtig ist, daß durch eine geeignete Ausführung der Mischkammer dafür Sorge getragen wird, daß sich die Gase homogen vermischen, da sonst im Sauggemisch eine Fehlmessung entstehen würde.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Mischkammer geht dahin, daß die Wandungen durch eine geeignete Beschichtung oder Isolation einen größeren Verlustwärmestrom verhindern.

Wie die Fig. 1 weiter zeigt, sind die Mischkammer (G), die Druckregelklappe (A), das Abgasrückführventil (B) sowie die Betätigungsvorrichtungen (H, I) ebenso wie auch die als Temperatursensoren fungierenden Thermoelemente zu einer kompakten Baueinheit (3) zusammengefaßt und z. B. in einem Gehäuse vereint, welches, vormontiert, an ein bestehendes Ansaugrohr (2) angeflanscht werden kann oder welches mit dem Plenum des Saugrohres identisch ist.

Die Funktionsweise der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist folgende: Die Brennkraftmaschine (5) saugt ungedrosselt Luft an, und zwar über den Luftfilter (1), das Ansaugrohr (2), die Mischkammer (G) und das Saugrohr (4). Die Brennkraftmaschine läuft dabei mit einer bestimmten Drehzahl, die mit dem Drehzahlsensor (7) erfaßt und an das Steuergerät (10) weitergemeldet wird. Das bei der motorischen Verbrennung produzierte Abgas wird durch ein Abgasrohr (6) in die Umgebung ausgestoßen. Ein bestimmter Teil des Abgases wird über die Abgasrückführleitung (8) entnommen und über ein zumessendes Abgasrückführventil (B) der Mischkammer zugeführt. Zur Einstellung der Abgasrückführrate steuert das Steuergerät (10) die Betätigungsvorrichtung (H) des Abgasrückführventiles (B) an. In gleicher Weise betätigt das Steuergerät über die Betätigungsvorrichtung (I) die Druckregelklappe (A), allerdings erst dann, wenn das Abgasrückführventil (B) bereits voll geöffnet ist und die treibende Druckdifferenz zwischen der Abgasrückführleitung (8) und der Mischkammer (G) für die einzustellende Rückführrate nicht ausreicht. Dann wird über teilweises Schließen der Druckregelklappe (A) der Unterdruck in der Mischkammer (G), und damit auch die treibende Druckdifferenz, erhöht.

Das Steuergerät (10) steuert die Betätigungsvorrichtung (H) des Abgasrückführventils (B) aufgrund folgender Informationen an: Der Betriebspunkt ist aufgrund des Signales des Drehzahlsensors (7) sowie des Signales vom Fahrpedalgeber (9) bekannt. Durch die Temperaturdifferenzsignale der Thermoelemente wird auf die beschriebene Weise die Abgasrückführrate bestimmt und mit dem kennfeldprogrammierten Sollwert verglichen und danach die Abgasrückführrate, ggf. durch Öffnen oder Schließen des Abgasrückführventiles (B), korrigiert.

Anzumerken ist, daß die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung sich beispielhaft auf eine selbstzündende Brennkraftmaschine bezieht. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasrückführung ist jedoch ebenso bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine möglich, indem statt der Druckregelklappe (A) die bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen übliche, durch den Fahrer betätigte Drosselklappe vorgesehen wird.

Bezugszeichenliste

1

Luftfilter

2

Ansaugrohr

3

Baueinheit
A Druckregelklappe
B Abgasrückführventil
C

,

D

,

E

,

F (Temperatur-) Meßstellen
G Mischkammer
H

,

I elektromotorische oder elektromagnetische Betätigungsvorrichtung

4

Saugrohr

5

Brennkraftmaschine

6

Abgasrohr

7

Drehzahlsensor

8

Abgasrückführleitung

9

Fahrpedalgeber

10

Steuergerät

2

,

4

,

8

Verbindungsleitungen
T1

,

T2 Thermoelement
U1

,

U2 Thermospannungen

Claims

1. Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, mit einem Ansaugrohr, einem Abgasrohr und einer Abgasrückführleitung, wobei die Abgasrückführleitung in das Ansaugrohr mündet, mit einem steuerbaren Abgasrückführventil, mit einem ersten Temperatursensor, der im Bereich der Mündungsstelle der Abgasrückführleitung in das Ansaugrohr eingesetzt ist, und mit einem zweiten Temperatursensor, der die Temperatur der Luft im Ansaugrohr erfaßt, und mit einem Steuergerät, welches die Differenz der vom ersten und vom zweiten Temperatursensor erfaßten Temperaturwerte zur Erfassung der Abgasrückführrate auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Temperatursensor durch die beiden Temperaturmeßstellen (C, F) eines einzigen Thermoelementes (T1) ausgebildet sind und daß ein zweites Thermoelement (T2) vorgesehen ist, welches die Temperaturdifferenz zwischen der Lufttemperatur im Ansaugrohr (2) und der Abgastemperatur in der Abgasrückführleitung (8) erfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungsstelle der Abgasrückführleitung (8) in das Ansaugrohr (2) als Mischkammer (G) ausgebildet ist und daß die Temperaturmeßstellen (C D, E, F) des ersten und des zweiten Thermoelementes (T1, T2) in den Verbindungsleitungen (2, 4, 8), die von und zur Mischkammer (G) führen, angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrückführventil (B) eine elektromotorische oder elektromagnetische Betätigungsvorrichtung (H) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß in der Ansaugleitung (2) eine den Saugdruck beeinflussende Klappe (Druckregelklappe (A) oder Drosselklappe) angeordnet ist, welche eine elektromotorische oder elektromagnetische Betätigungsvorrichtung (1) aufweist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente (T1, T2) das Mischgehäuse (G), das Abgasrückführventil (B) und die Druckregelklappe (A) bzw. die Drosselklappe sowie deren Betätigungsvorrichtungen (H, I) zu einer Baueinheit (3) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (10) die Abgasrückführrate x_AGR nach der Gleichung x_AGR = _AGR/_Sauggemisch = (T_Sauggemisch - T_Luft)/(T_AGR - T_Luft) + _Verlust/(c_P _Sauggemisch(T_AGR - T_Luft)) bestimmt, worin sich (T_Sauggemisch - T_Luft) und (T_AGR - T_Luft) als direkte Meßwerte des ersten und zweiten Thermoelementes (T1, T2) ergeben, die Konstante c_P die mittlere isobare Wärmekapazität für Luft, Sauggemisch und Abgas darstellt und das Steuergerät (10) den Term _Verlust/_Sauggemisch über eine Kennfeldanpassung mit Betriebsparametern der Brennkraftmaschine bestimmt.