DE2402663A1 - Zweitluft-regler fuer nachbrenner von brennkraftmaschinen - Google Patents

Zweitluft-regler fuer nachbrenner von brennkraftmaschinen

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Description

81-22.O59P(22.O6OH) 21. 1. 1974
HITACHI, LTD., Tokio (Japan)
Zweitluft-Regler für Nachbrenner von Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft eine Zweitluft-Regler für Nachbrenner, in dem dem Auspuffgas einer Brennkraftmaschine Zweitluft aus einer Luftpumpe über eine Zweitluft-Leitung mit Zweitluft-Regelvorrichtung zugeführt wird.
Bisher hat man, um die Zweitluft-Menge zu regeln, ein Regelventil benutzt, dessen die Zweitluft zuführender lichter Querschnitt je nach dem Ansaug-Unterdruck der Maschine verändert werden kann. Bei solchem Ventil tritt aber die Schwierigkeit auf, daß, wenn der
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81-(Pos. 32 87l)-Bgn-r (8)
lichte Querschnitt des Regelventils anfänglich entsprechend der anfänglichen Leistung der Luftpumpe eingestellt wird, der Unterschied zwischen dem stromoberhalb des Regelventils und dem strom unterhalb des Regelventils in der Zweitluft-Leitung herrschenden Druck stark zunimmt, da die Förderleistung der Pumpe im Laufe der Betriebszeit abnimmt und daher die Zweitluft-Zufuhrmenge sich sehr ändert. In Fig. 1 bedeuten das Bezugszeichen A die anfängliche Fördermenge der Luftpumpe und das Zeichen B die nach einiger Betriebszeit gemessene Fördermenge, beide Mengen bei dem gleichen Förderdruck. Mit dem Bezugszeichen C ist - nur zum Vergleich - die für den Zweck günstigste Zweitluftmenge bezeichnet. Dies zeigt, daß das Ausmaß der Änderung der von der Pumpe bei gleichbleibendem Förderdruck geförderten Zweitluftmenge im Laufe der Betriebszeit größer geworden, d. h. die Pumpenleistung so viel geringer geworden ist, daß die Zweitluftmenge viel kleiner als die zur Nachverbrennung erforderliche Best-Menge C ist und daher die Nachverbrennungs-Einrichtung für ihre Aufgabe, das Auspuffgas zu reinigen, ungeeignet wird.
Angesichts der genannten Schwierigkeiten ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Zweitluftmengen-Regelvorrichtung zu liefern, die von solcher die Förderleistung der Luftpumpe verringernden Zweitluft-Schwankung frei ist und daher stets beste Nachverbrennungs-Bedingungen bewirkt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Zweitluft-Regelvorrichtung zu liefern, bei der die zugeführte Zweitluftmenge nebst der das Auspuffgas reinigenden Wirkung zunimmt, wenn der Kraftwagen, in dem
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die mit dieser Einrichtung ausgestattete Brennkraftmaschine eingebaut ist, beschleunigt wird.
Eine noch andere Aufgabe der Erfindung ist, eine Zweitluft-Regelvorrichtung zu liefern, bei der die Zweitluftmenge auf einen benötigten Wert eingestellt werden kann, wenn bei Verzögerung des Wagens die Zweitluftmenge um der Schonung des Katalysators willen beschränkt werden muß.
Die Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß eine Zweitluftmenge zugeführt werden kann, die zur Auspuffgasmenge in einem vorbestimmten, wesentlich stets gleichen Verhältnis steht, so daß ein für die Gasreinigungs-Wirkung der Nachverbrennungs-Einrichtung, z. B. eines Katalysators oder Verbrennungshilfsstoffes, günstigster Betriebszustand geschaffen wird, und darin, daß die Kennlinie der Zweitluft-Zufuhr unabhängig von der Fördercharakteristik der Luftpumpe gestaltet werden kann, so daß die Kennlinie sowohl der Luftpumpe selbst als auch ihre zeitabhängige Leistungsminderung sich leichter beeinflussen lassen.
Die Erfindung gibt also eine Zweitluft-Regelvorrichtung mit einer von einer Luftpumpe zu einer Nachverbrennung führenden Luftleitung an, in der in der Mitte des Weges ein Widerstand wie z.B. eine Drosseldüse angeordnet ist, und mit einem Regelventil, welches ein wesentlich gleichbleibendes Verhältnis zwischen dem stromoberhalb und dem stromunterhalb dieses Widerstandes herrschenden Druck aufrecht erhält und so gestaltet ist, daß es in Abhängigkeit vom Zweitluft-Druck und vom
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Auspuffgas-Druck arbeitet, so daß Druckschwankungen des Zweitluft-Druckes, die durch Absenken der Luftpumpen-Förderleistung entstehen würden, unwirksam gemacht und infolgedessen eine zur Auspuffgas-Menge der Verbrennungskraftmaschine stets verhältnisgleiche Zweitluftmenge zugeführt wird.
Fig. 1 ist ein Diagramm der Zweitluft-Menge einer üblichen Luftpumpe,
Fig. 2 ist ein Erläuterungsbild einer Ausführungsform einer Zweitluft-Regelungseinrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 3 und 4 sind Erläuterungen weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zweitluft-Regelungseinrichtung,
Fig. 5 sind Diagramme zugehöriger Betriebsgrößen, aufgetragen über der Zeit,
Fig. 6 ist ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer für die Erfindung geeigneten Beschleunigungs-Abfühlvorrichtung.
Im folgenden werden nun anhand der zugehörigen Zeichnungen die Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
In Fig. 2 bezeichnen die Bezugsziffern 1 eine Luftpumpe, 2 einen Pufferbehälter, welcher Zweitluft von der Luftpumpe 1 zwecks Druckausgleichs speichert, 3 ein Regelventil zur Einstellung der Drücke im
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Pufferbehälter 2, 4 eine Nachverbrennungs-Einrichtung und 5 eine Luftleitung, die den Pufferbehälter 2 mit der Nachverbrennungs-Kammer 4 verbindet und einen Widerstand in Form einer Drosseldüse 6 sowie ein Rückschlagventil 7 enthält; beide, d.h. sowohl die Drosseldüse 6 wie auch das Rückschlagventil 7, sind mitten in der Leitung 5 angeordnet. Die Nachverbrennungs-Kammer 4 empfängt Auspuffgas von einer Brennkraftmaschine und erhält einen dem Druck des Auspuffgases entsprechenden Druck aufrecht mittels eines Widerstandes in Form einer Drosseldüse 8, die in einem Auslaß der Nachverbrennungs-Kammer 4 angeordnet ist. Die Bezugsziffer 9 bezeichnet ein Ventilverschlußstück, das normalerweise einen Luftauslaß 10 des Pufferbehälters schließt und das durch eine Ventilstange 11 mit Membranen 12 und 13 verbunden ist, die im oben genannten Regelventil 3 angeordnet und durch eine Feder 14 vorgespannt sind. Mit 15, 16 und 17 sind Druckkammern bezeichnet; von diesen ist die Kammer 15 durch eine Druckleitung 18 mit dem Pufferbehälter, die Kammer 16 mit der Außenluft und die Kammer 17 durch eine Druckleitung 19 mit der Nachverbrennungs-Kammer verbunden. Mit 20 ist eine Leitung bezeichnet, die in die Außenluft führt und dorthin Luft aus dem Pufferbehälter abläßt, wenn das Ventilverschluß stück 9 in der Offen-Stellung steht. Mit 21 und 22 sind Dreiwegeventile bezeichnet, die in den Druckleitungen 18 bzw. 19 angeordnet und für Änderung des Druckes in den genannten Druckkammern eingerichtet sind. Und mit 23 und 24 sind Umschaltkanäle in den Drei Wegeventilen 22 bzw. 21 bezeichnet.
Im Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung wird die von der Luftpumpe 1 geförderte Zweitluft im Pufferbehälter zwecks Druckaus-
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gleiches gespeichert, im Regelventil auf den gewünschten Druck eingestellt und sodann durch die Druckleitung 5 mit ihrer Drosseldüse und dem Rückschlagventil 7 zur Nachverbrennungs-Kammer 4 geleitet. Diese Nachverbrennungs-Kammer erhält den der Abgasmenge entsprechenden Druck P mittels der Drosseldüse 8 aufrecht, und infolgedessen wird in sie aus dem Pufferbehälter eine Luftmenge eingeführt, die der Abgasmenge verhältnisgleich ist. In Fig. 2 bezeichnen CL die durchströmende Abgasmenge, C den Durchflußbeiwert der Drosseldüse 8, An den Durchflußquerschnitt der Drosseldüse 8, P
K J Ej
die spezifische Masse (Dichte) des Auspuffgases, P den in der Nachverbrennungs-Kammer herrschenden Druck, Q die durchströmende Zweitluftmenge, C den Durchflußbeiwert der Drosseldüse 6, A . den Durchflußquerschnitt der Drosseldüse 6, γ die spezifische Masse (Dichte) der Zweitluft und P den Druck im Pufferbehälter. Dann wird die oben beschriebene Beziehung durch die folgenden Formeln dargestellt:
Die durchfließende Auspuffgas-Menge ist
= 0R^R ψ
und die durchfließende Zweitluft-Menge ist
0A ~-
Aus den Formeln (l) und (2) wird die Beziehung zwischen P_ und P
dargestellt durch
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P„ = P
1 + TT
V2
A
worin-τ— eine Zweitluft-Zufuhrmenge pro Zeiteinheit S ist. Und
QE
K =
■ A
ist, dann ist die Formel (3)
P=P C R
(SAE}
(4)
P_ ist proportional P , wenn S (die Zweitluft-Zufuhr-Menge pro t- K AL·
Zeiteinheit) als ein Parameter genommen wird. Die oben genannte Formel zeigt an, daß, indem ein Widerstand in Form der Drosseldüse in der Mitte der zur Auspuffgas-Nachverbrennungseinrichtung führenden Zweitluft-Zufuhr leitung angeordnet wird, so daß der in der stromoberhalb der Drosseldüse liegenden Leitung herrschende Druck sich mit dem in der Nachverbrennungs-Einrichtung herrschenden Druck ändert, oder - anders ausgedrückt - indem P durch P wie in Formel
(4) ausgedrückt wird, Q. (die Zweitluft) mit derjenigen Zweitluft-
Zufuhrmenge pro Zeiteinheit S. zugeführt werden kann, die gleich der Auspuffgas-Menge Q ist. Wie aus der Formel (4) ersichtlich,
kann, weil darin der Faktor der Luftpumpen-Leistung P nicht vor-
kommt, die Zweitluft-Menge unabhängig von der Luftpumpen-Leistung sein, und so ist eine passende Luftmenge stets gesichert.
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Das Folgende nun betrifft eine Druckeinsteil-Vorrichtung. Es sei angenommen, daß S die wirksame Fläche der Membran 12, S
JL L·*
die wirksame Fläche der Membran 13, S die wirksame Fläche des
Ventilverschlußstückes 9, Pn der Außenluftdruck und Fc die Feder-
U ο
kraft der Feder 14 ist; dann läßt sich der eingestellte Druck durch die folgende Formel darstellen:
P* ^h P°
Im einzelnen ist der Luftauslaß 10 normalerweise durch das Ventilverschlußstück 9 geschlossen. Wird der Luftauslaß 10 geöffnet, dann entweicht der im Pufferbehälter 2 vorhandene Druck durch die in die Außenluft führende Leitung 20; dadurch stellt sich der Druck im Pufferbehälter ein. Das Ventilverschlußstück 9 ist durch die Ventilstange 11 mit den Membranen 12 und 13 verbunden. Die Membran 12 steht durch die Druckleitung 18, welche die Druckkammer 15 mit dem Pufferbehälter verbindet, unter dem in diesem Behälter herrschenden Druck P^, so daß eine diesem Druck P_ entsprechende Kraft auf das Ventilverschlußstück 9 in dem dieses öffnenden Sinn wirkt. Die Membran 13 steht durch die Druckleitung 19, welche die Druckkammer 17 mit der Nachverbrennungs-Kammer 4 verbindet, unter dem in dieser Kammer herrschenden Druck Pn, so daß eine diesem Druck P
K K
entsprechende Kraft auf das Ventilverschlußstück 9 in dem dieses schließenden Sinn wirkt. Die Feder 14 dient dazu, durch die Federkraft F_ das Ventilverschlußstück in eine Anfangs stellung einzustellen,
wobei die Druckkammern zur Außenluft hin offenbleiben. Ferner wirkt
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Pn auf das Ventilverschlußstück 9 unter den beschriebenen Verhältnissen im öffnenden Sinn; P^ wird dabei so sein, wie in der oben angegebenen Formel ausgedrückt, worin P der Außenluftdruck, das zweite Glied gleich Null und das dritte Glied, da F etwa 100 bis 300 Gramm beträgt, im Vergleich zum ersten Glied vernachlässigbar ist. Dann wird die Formel (5) gleich folgender Formel:
Wie aus dieser Formel (6) ersichtlich, kann P in geeigneter Höhe je nach den Flächen der Membranen 12 und 13 und des Ventilverschlußstückes 9 gewählt werden, so daß die durch die Formel (4) gegebene Beziehung erreicht wird. Eines der Wesensmerkmale der Erfindung in dieser Hinsicht ist, daß zum Einstellen des Druckes Luft in die Außenluft abgelassen wird mit der sich daraus ergebenden Verringerung der Belastung der Luftpumpe.
Bei Beschleunigung eines Kraftwagens sollte die der Nachverbrennung s-Kammer zuzuführende Zweitluftmenge vermehrt werden. Auch diese Tatsache wird in dieser Erfindung berücksichtigt. In Fig. 5 ist im Diagramm der Verlauf der zugehörigen Betriebsgrößen über der Zeit beim Beschleunigen des Wagens dargestellt. Es sei angenommen, daß die Beschleunigung in der im Diagramm a) angegebenen Weise erfolgt ι dann nimmt der Gehalt an Kohlenmonoxyd (C ) infolge der im Diagramm b) dargestellten höheren Brennstoffzufuhr zu, und daher
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muß die Zweitluft-Zufuhr verstärkt werden, wie im Diagramm c) dargestellt. Andererseits ändert sich beim Beschleunigen auch der Ansaugdruck, wie im Diagramm d) dargestellt. Durch Abfühlen von Steuerzeichen, welche die Änderungen anzeigen, wird beim Beschleunigen ein Schalter ein- oder ausgeschaltet, wie im Diagramm e) dargestellt, und dadurch wird die Zweitluft-Menge geregelt. Ein diesem Zweck dienender Beschleunigungsschalter ist in Fig. 6 dargestellt.
Darin ist mit der Bezugsziffer 101 ein Beschleunigungs-Fühler bezeichnet. Dieser hat einen Saugdruck-Leitungsanschluß 102, der mit dem Ansaugrohr der Maschine verbunden ist. Beim Beschleunigen steigt der Innendruck in einer Druckkammer 106 an, und von ihm wird eine Membran 104 gegen die Kraft einer Feder 107 nach rechts gedrückt, und dadurch wird mittels einer Stange 108 ein Schalter 109 betätigt, der durch eine Leitung 110 Steuersignale wie die in Fig. 5e dargestellten erteilt. Die Dauer der Steuersignale wird auf einen geeigneten Wert eingestellt durch Einstellen der Zeit, binnen der die Drücke in den beiden Druckkammern 105 und 106 sich durch eine Öffnung ausgleichen, und zwar durch eine Düse 103, die in der Membran 104 so angeordnet ist, daß sie die beiden Druckkammern miteinander verbindet. Das in dieser Weise erteilte Beschleunigungssignal wird durch die Leitung 110 zum Dreiwegeventil 21 geleitet. Durch Schließen dieses Ventils 21 wird die Wirkung des Druckes, der im Pufferbehälter 2 herrscht, auf die Druckkammer 15 aufgehoben und die auf das Ventilverschluß stück 9 in Öffnung s richtung wirkende Kraft beseitigt. Daher wird die vom Auspuffgas auf das Ventil verschlußstück 9 in Schließrichtung ausgeübte Kraft vergrößert und infolgedessen das
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Regelventil 3 ganz geschlossen, so daß von der Luftpumpe 1 geförderte Luft in einer der Beschleunigung entsprechenden Menge in die Nachverbrennungs-Kammer geführt werden kann. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird das Ein- und Ausschalten des Beschleunigungsschalters mit Hilfe des Ansaug-Unterdrucks bewirkt, und es kann zusätzlich von anderen Faktoren wie z. B. von der Drehzahl der Maschine, vom Zusammenhang zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Brennstoffzufuhrmenge oder von noch anderen Faktoren abhängig gemacht werden.
Wenn es bei einer Beschränkung der Zweitluft-Zufuhr vom Standpunkt des Katalysator-Schutzes nötig wird, dann wird das Dreiwegeventil 22 so betätigt, daß der in der Nachverbrennungs-Kammer herrschende Druck von der Druckkammer 17 ferngehalten und somit das Ventilverschlußstück 9 geöffnet wird; dadurch wird die von der Luftpumpe 1 geförderte Luft in die Umgebung abgelassen und somit die Zweitluft«· Z ufuhrmenge verringert. In diesem Fall kann die Regelung der Zweitluft durch Abfühlen anderer Faktoren wie z.B. der in der Nachverbrennungs-Kammer herrschenden Temperatur oder des im Auspuffgas enthaltenen Sauerstoffs geregelt werden.
Fig. 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsformen der Erfindung. Diese unterscheiden sich von der oben beschriebenen ersten Ausführungsform dadurch, ob Luft aus dem Pufferbehälter in die Umgebung abgelassen wird oder nicht. Dies wird nun anhand der Fig. 3 beschrieben. Nach dem Anlassen der Maschine erhöht das Auspuffgas den Druck
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in der Nachverbrennungskammer 4A, und dieser wird durch die Druckleitung 19 A in die Druckkammer 17 A geleitet, wodurch die Membran 13 A nach rechts verschoben und das Ventilverschlußstück 9 A abgehoben wird, so daß eine der Auspuffgasmenge entsprechende Zweitluftmenge in die Nachverbrennungskammer geführt wird. Wenn die der Nachverbrennungs-Kammer zugeführte Zweitluftmenge größer als nötig ist , dann wird der Druck in der Luftleitung 5 A größer; dieser Druck wird durch die Druckleitung 18 A in die Druckkammer 15 A übertragen. So wirkt der in der Druckkammer 18 A herrschende Druck auf das Ventilver Schluß stück in dem dieses schließenden Sinne, so daß der Nachverbrennungs-Kammer eine der Auspuffgas-Menge entsprechende Zweitluft-Menge zugeführt wird. Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform arbeitet genauso wie die in Fig. 3 dargestellte.
Gemäß der Erfindung ist in der den Pufferbehälter 2 A mit der Nachverbrennungs-Kammer 4 A verbindenden Luftleitung 5 A in der Mitte des Weges ein Widerstand in Form einer Drosseldüse 6 A angeordnet, und der stromoberhalb dieser Drosseldüse 6 A herrschende Druck ist durch ein Regelventil oder dergleichen mit dem stromunterhalb dieser Drosseldüse 6 A herrschenden Druck verbunden; dadurch kann ein ungünstiger Einfluß des zeitabhängigen Abfalls der Luftpumpenkennlinie vermieden werden mit dem Erfolg, daß Zweitluft in die Nachverbrennungs-Kammer 4 A in einer der Auspuffgas-Menge verhältnisgleichen, stets vorbestimmten Menge zugeführt und daher die Reinigung des Auspuffgases unter besten Bedingungen aufrecht erhalten und obendrein die Lebensdauer der Luftpumpe verlängert wird. Außerdem ist in der Zweitluft-Regelvorrichtung eine Vorrichtung sum Vergrößern der Zweitluftmenge oder zum Unterbrechen der Zweitluft-Zufuhr vorgesehen.
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Claims (5)

  1. A nsprüche
    1/Zweitluft-Regler für Nachbrenner, in dem dem Auspuffgas einer Brennkraftmaschine Zweitluft aus einer Luftpumpe über eine Zweitluft-Leitung mit Zweitluft-Regelvorrichtung zugsführt wird, gekennzeichnet durch
    a) einen mitwegs in dieser Luftleitung (5) angeordneten Widerstand wie z.B. eine Drosseldüse (6) und
    b) ein Regelventil (3), welches ein wesentlich gleichbleibendes Verhältnis des stromoberhalb dieses Widerstandes (6) herrschenden Druckes zu dem strom unterhalb dieses Widerstandes herrschenden Druck aufrecht erhält.
  2. 2. Zweitluft-Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromoberhalb des Widerstandes, der in der die Luftpumpe mit der Nachverbrennungs-Einrichtung verbindenden Luftleitung angeordnet ist, ein Pufferbehälter (2), der die von der Luftpumpe geförderte Zweitluft speichert, und eine Vorrichtung (9 - 19) angeordnet ist, welche die im Pufferbehälter enthaltene Zweitluft je nach dem Auspuffgas-Druck und dem im Pufferbehälter herrschenden Luftdruck in die Außenluft abläßt.
  3. 3. Zweitluft-Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich-
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    net, daß das Regelventil (3) zwei bewegliche Glieder (Membranen 12, 13), die zwei Druckkammern (15, 17) bilden, deren eine (15) durch eine Druckleitung (18) mit dem die Zweitluft von der Luftpumpe speichernden Pufferbehälter und deren andere (17) mit der Nachverbrennungs-Kammer verbunden ist, sowie ein Ventilverschlußstück (9) enthält, das Zweitluft in die Außenluft abläßt und das, durch eine Vorrichtung (Ventilstange 11) mit den Membranen verbunden, je nach dem Zweitluftdruck und dem Auspuffgasdruck betätigt wird und so die Menge der in die Außenluft abgelassenen Zweitluft bestimmt.
  4. 4. Zweitluft-Regler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Druckleitung (18), welche den die Zweitluft von der Luftpumpe speichernden Pufferbehälter mit der einen Druckkammer (15) des Regelventils (3) verbindet, ein Ventil (21) angeordnet ist, das mit einem Beschleunigungs-Fühler (101) ausgestattet ist und von diesem bei Beschleunigung geschlossen wird, so daß das die Zweitluft in die Außenluft ablassende Ventilverschlußstück (9) geschlossen wird.
  5. 5. Zweitluft-Regler nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß in der die zweite Druckkammer (17) des Regelventils (3) mit der Nachverbrennungs-Kammer (4) verbindenden Druckleitung (19) ein Ventil (22) angeordnet ist, welches mit einem Fühler ausgestattet ist, der die Zweitluftmenge abfühlt und dieses Ventil (22) öffnen kann, wodurch das die Zweitluft in die Außenluft ablassende Ventil Verschluß stück (9) geöffnet wird.
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DE2402663A 1973-01-22 1974-01-21 Regeleinrichtung für Zusatzluft der Abgas-Nachverbrennung bei einer Brennkraftmaschine Expired DE2402663C3 (de)

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