DE2402663C3

DE2402663C3 - Regeleinrichtung für Zusatzluft der Abgas-Nachverbrennung bei einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2402663C3
Application number: DE2402663A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Atago; Yukio Hosho; Shoji Shimo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-01-22
Filing date: 1974-01-21
Publication date: 1980-01-31
Also published as: DE2402663B2; GB1439301A; US3945205A; DE2402663A1; JPS4996117A; JPS5232020B2

Description

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Die Erfindung betrifft eifie Regeleinrichtung für Zusatzluft zu einer im Strömungsweg der Abgase einer Brennkraftmaschine angeordneten Nachbrennkammer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Bei einer bekannten Regeleinrichtung dieser Art (US-PS 34 30 437) wird die Zusatzluft von einem mechanisch angetriebenen Gebläse über ein Abblase-Steuerventil direkt in die einzelnen Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine gefördert Die Betätigungsvorrichtung des Steuerventil umfaßt eine Druckdose, deren federbelastete Membran mit dem Verschlußteil des Ventils fest verbunden ist und die den Innenraum der Druckdose in zwei Membrankammern unterteilt. Die eine Membrankammer ist vom Atmosphärendruck beaufschlagt und die andere Membrankammer ist über eine Unterdruckleitung mit dem Saugrohr der Brennkraftmaschine verbunden. Die Membran selbst und die Kennlinie der Membranfeder sind so ausgelegt, daß nur bei extrem hohen Unterdruckwerten im Ansaugsystem, Jie lediglich im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine auftreten, das Verschlußteil die zum Abgassystem führende /ii^iizliiftleilung verschließt und gleichzeitig eine Abblaseleitung öffnet, durch weiche die vom Gebläse geforderte Zusatzluft über einen Schalldämpfer in die Atmosphäre abströmt. Durch das nur kurzzeitige Absperren der zusätzlich ein Rückschlagventil enthaltenden Zusatzluftleitung während des Schiebebetriebes ler Brennkraftmaschine werden explosionsartig ablaufende Nachverbrennungen im Abgass\stem vermieden. Eine an die unterschiedlichen Betriebs/ustände der Brennkraftmaschine angepaßte Steuerung der Zusatzluftmenge in direkter Abhängigkeit vom Druck bzw. von der Menge der Abgase kann mit dieser Regeleinrichtung nicht erreicht werden.

Eine andere bekannte Regeleinrichtung (DE-OS 19 02 780) weist ebenfalls eine Druckdose als Betätigungsorgan eines Steuerventils auf. deren eine Membrankammer mit dem Atmosphärendruck und deren andere Membrankammer mit einem Unterdruck aus dem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine beaufschlagt ist. Das mit der Membran fest verbundene Verschlußteil dieses Ventils weist zwei Elemente auf. von denen eines in Abhängigkeit von einer Druckzunahme der Gebläseluft, z. B. bei hohen Motordreh/ahlen. oder in Abhängigkeit von einer Druckzunahme im Abgassystem, hei z. B. hoher Maschinenbelastung, betätigt wird. Das /weite Element des Verschlußteils wirki in seiner einen Endstellung als Sperrglied für einen Ablaßzweig zur Atmosphäre und in Zwischenstellungen als Verstelldrossel für die durch den Ablaßzweig abströmende Teilmenge der Zusatzluft. Damit die Betätigung des Steuerventils nicht nur ausschließlich in Abhängigkeit von Druckänderungen im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine erfolgt, sind /wischen den beiden Membrankammern Klappenventile vorgesehen, die nur bei abrupten Druckänderungen im Ansaiigsv stern der Brennkraftmaschine schließen. Eine gezielt bemessene Steuerung der Zusatzluftmengen in Abhän gigkeit von den Betriebszuständen im Abgassystem der Brennkraftmaschine ist auch mit dieser Regeleinrich tung nicht möglich.

Darüber hinaus kann bei beiden bekannten Regclcinrichtungen einem nach längeren Betriebszeiten cihlfe^ (enden Leistungsabfall des Zusülzlüftgebläses nicht entgegengewirkt werden, so daß dann dem Abgassy· stein eine zur Vollständigen Nachverbrennung zu geringe Zusalzluflmenge zugeführt wird.

Aufgabe der Erfiddüfig ist es, äUsgehehd von einer Regeleinrichtung der eingangs genannten Art die Auswirkungen einef im Laufe der Belricbszeit des

Zusatzluftgebläses abnehmenden Förderleistung auf die dem Abgas zugeführte Zusatzluftmenge zu kompensieren und auch den Einfluß des schwankenden Abgasdrukkes in der Nachbrennkammer auf die zugeführte Zusatzluftmenge auf einfache Weise auszugleichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst Durch das annähernd konstante Druckverhältnis zwischen dem Zusatzluftdruck stromauf der festen Drossel und dem Druck in der Nachbrennkammer wird eine Dosierung der in die Nachbrennkammer einströmenden Zusatzluftmenge erreicht, die dem Abgasdruck in dieser Nachbrennkammer direkt proportional ist. Dies ergibt eine genaue Anpassung der Zusatzluftmenge an die jeweiligen Betriebszustände der Brennkraftmaschine. Diese erfindungsgemäß angestrebte Wirkung ist auf die in der Zusatzluftleitung angeordnete feste Drossel in Verbindung mit der Betätigung des Verschlußgliedes durch zwei gesonderte, gegensinnig wirksame Membranen zurückzuführen, von denen eine einerseits, dem Atmosphärendruck und andererseits dem Druck in der Nachbrennkammer und die andere ebenfalls dem Atmosphärendruck und auf ihrer anderen Seite dem Zusatzluftdruck stromauf der Drossel ausgesetzt ist. Ein für die Praxis wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung liegt darin, daß die einzelnen mechanisch wirkenden Bauteile einfach und robust ausgebildet werden können.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. So kann bei einer starken Beschleunigung des Kraftfahrzeuges die der Nachbrennkammer zugeführte Zusatzluftmenge unmittelbar durch die Anordnung eines Dreiwegeventils in der ersten Druckimpulsleitung erhöht werden (Anspruch 4), wobei dieses Dreiwegeventil in Abhängigkeit von Änderungen des Ansaugdruckes durch einen Meßumformer betätigt wird und das Steuerventil durch Entlüften der Membrankammer schließt, so daß die vom Gebläse geförderte Zusatzluft vollständig in die Nachbrennkammer strömt.

Ein der /weiten Druckimpulsleitung einschaltbares Mehrwegeventil (Anspruch 5) ermöglicht eine zusätzliche Dosierwirkung in Abhängigkeit von Betriebsparametern in der Nachbrennkammer.

Im folgenden wird ein Auiührungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Fs/eigt

F i g. I eine schematische Darstellung der Regeleinrichtung.

F i g. 2 einen Meßumformer /um Verstellen des einen Dreiwegeventil.

F i g. 3 Diagramme verschiedener Betriebsparameter der Brennkraftmaschine aufgetragen über der Zeit.

Die in Fig.! dargestellte Regeleinrichtung umfaßt ein Ziisat/luftgebläse 1. einen Druckspeicher 2 für die vom (ieblase 1 geförderte Zusatzluft, ein Steuerventil 3. eine Nachbrennkammer 4 und eine Zusatzluftleitung 5, die das Zusatzluftgebläse 1 mit der Nachbrennkammer 4 verbindet und in der eine feste Drossel 6 sowie ein Rückschlagventil 7 angeordnet sind. In die Nachbrennkammer 4 strömt Abgas aus einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine, wobei eine im Auslaß der Nlächbrennkammer angeordnete Drossel 8 den Abgasdruck Pr in der Nächbfcnnkammef 4 bestimmt. Das Verschlußteil 9 des Steuerventils 3 ist durch einen Stößel 11 mil zwei MembraneT 12 und 13 Verbunden und hält durch die Kraft einer Feder 14 normalerweise die Ventilöffnung 10 geschlossen. Eine von der Membran 12 begrenzte Membrankammer 15 ist durch eine Druckini· pulsleitung 18 mit dem Druckspeicher 2 und eine weitere, von der zweiten Steuermembran 13 begrenzte Membrankammer 17 ist durch eine Druckimpulsleitung 19 mit der Nachbrennkainmer 4 verbunden. Zwischen beiden Membrankammern 15 und 17 befindet sich eine mittlere Referenzkammer 16, die von beiden Membranen begrenzt wird und mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Wenn das Verschlußteil 9 des Steuerventils 3 öffnet, strömt Zusatzluft aus dem Druckspeicher 2 in die Atmosphäre ab. In den beiden Druckimpulsleitungen 18 bzw. 19 ist je ein Dreiwegeventil 21 bzw. 22 mit einem Umschaltkanal 23 bzw. 24 angeordnet, deren Verstellung Druckänderungen in den entsprechenden Membrankammer 15 bzw. 17 bewirken.

Im Betrieb wird die «om Gebläse 1 geforderte Zusatzluft im Druckspeicher 2 zur Glauung \on Druckschwankungen gespeichert ·· d durch das Steuerventil 3 auf den gewünschten Drue, gebracht. Aus dem Druckspeicher strömt die gewünschte Zusatzluftmenge durch die Zusatzluftleitung 5 über die feste Drossel 6 und das Rückschlagventil 7 zur Nachbrennkammer 4, in welcher ein dem Abgasdurchsatz entsprechender Druck Pr mittels der Drossel 8 aufrechterhalten wird. Die in die Nachbrennkammer 4 einströmenden Mengen an Abgas Qf und an Zusatzluft Qa bestimmen sich nach folgenden Beziehungen:

Qt = C_R- A_R,2

₄- A_A,2 n_A |P_£ - P_R). (2)

Q_A = C₄- A_A2
In diesen Gleichungen bedeuten:

Cr den Strömungsbeiwert der Drossel 8.

Ar den Strömungsquerschnitt der Drossel 8.

Qe die Dichte der Abgase.

Pr den Druck in der Nachbrennkammer 4.

C₁ den Strömungsbeiwert der Drossel 6.

A_Λ den Strömungsquerschnitt der Drossel 6.

Qa die Dichte der Zusatzluft.

Pc den Zusatzluftdruck im Druckspeicher 2.

Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich die Beziehung zwischen fVund P< wie folgt

■ (1)1 ·

Wobei der Quotient

Q,

= S_AF eine Zusatzluft-

Q, ~~ "^AE

luftmenge pro Abgas-Mengeneinheit angibt.
Wenn

_ ,J₁ /C_RA_R " Sa \ C, A_A

ist. dann vereinfacht sich Gleichung (3) zu

Pc=PrU : + K {S_AEfl. (4)

Nach Gleichung (4) ist Pc proportional Pr, wenn Sae (die Zusatzluftme.ige pro Abgas-Mengeneinheit) als ein Parameter genommen wird. Die Gleichung (4) zeigt ferner, daß durch die Anordnung der festen Drossel 6 in der Zusatzluftleitung 5 der Druck der Zusatzluft stromauf der festen Drossel 6 sich entsprechend dem

Druck in der Nachbrcnnkaiiimer 4 ändert, d. h. daß durch Bestimmung von Pc durch den Abgasdruck Pr nach Gleichung (4) eine Zusatzluftmengc Qa in einem Verhältnis Saf. der Brennkammer zugeführt werden kann, das der Abgasmenge Qr_: entspricht. Wie aus der Gleichung (4) weiter hervorgeht, erfolgt die Dosierung der Zusatzluftmenge unabhängig von der Leitung, P,\, desZusaizluftgebläses 1.

Im folgenden wird angenommen, daß bei dem Steuerventil 3 die Sleuefmembran 12 eine wirksame Fläche S₁, die Steuermembran 13 eine wirksame Fläche S2 und das Verschlußteii 9 eine wirksame Stirnfläche Sj aufweisen, wobei Fo der Atmosphärendruck und Fs die Kraft der Feder 14 sind. Der eingestellte Druck läßt sich durch folgende Gleichung darstellen:

I'M

■ΊΙ

Normalerweise ist die Veniilöffnung 10 durch das Verschlußteii 9 gesperrt. Wird die Ventilöffnung 10 geöffnet, dann entweicht Zusatzluft aus dem Druckspeicher 2 durch die Leitung 20 in die Atmosphäre, wodurch der Druck Pc im Druckspeicher 2 sinkt. Das Verschlußteii 9 des Steuerventils 3 ist durch den Stößel 11 mit den Steuermembranen 12 und 13 verbunden. Auf die Steuermembran 12 wirkt der Druck Prim Druckspeicher 2, der über die Druekimpulsleitung 18 mit der Membrankammer 15 verbunden ist, so daß eine diesem Zusatzluftdruck Pcentsprechende Öffnungskraft auf das Verschlußteil 9 wirkt. Die Steuermembran 13 steht über die Druekimpulsleitung 19 unter dem Druck Pr der Nachbrennkammer 4, so daß eine diesem Druck Pr entsprechende Schließkraft auf das Verschlußteil 9 wirkt. Die Kraft Fjder Feder 14 hält das Verschlußteil 9 in seiner Ausgangsstellung, wenn die beiden Membrankammern entlüftet sind. Zusätzlich wirkt der Zusatzluftdruck P( direkt auf die Stirnfläche des Verschlußteils 9 im Öffnungssinn. Unter Berücksichtigung dieser tatsächlichen Einflußgrößen in der Gleichung (5) wird deren zweiter Summand mit P₀ als Atmosphärendruck gleich Null und deren dritter Summand im Vergleich zum ersk - Summanden vernachlässigbar klein, da die Fedcrkralt F₅etwa 100 bis 300 g beträgt. Die Gleichung (5) vereinfacht sich zu:

Pc =

S,

(S₁ + S₂)

Pr-

Wie aus dieser Gleichung (6) ersichtlich, kann der Zusatzluftdruck P_c entsprechend den Flächen 5,_r S₂ und Sj der beiden Membranen 12, und 13 sowie des Verschlußteils 9 so gewählt werden, daß die Gleichung (4) erfüllt ist. indem zur Druckeinsteilung bestimmte Mengen an Zusatzluft in die Atmosphäre abgeführt werden.

Beim Beschleunigen des Kraftfahrzeuges wird die der Nachbrennkammer zugeführte Zusatzlufliiiengc vergrößert. In Fig.3 ist der Verlauf der entsprechenden Beffiebspafafhetef über der Zeit beim Beschleunigen des Kraftfahrzeuges angegeben. Erfolgt die Beschleunigung in der im Diagramm a) dargestellten Weise, dann nivimt der Gehalt an Kohlcnmonoxyd in den Abgasen infolge der höheren Brennstoffzufuhr entsprechend dem Diagramm b) zu, so daß auch die Zusaizluftmenge vergrößert werden ifiuß (im Diagramm c als »Zweitluft-Zufuhrmenge« bezeichnet). Beim Beschleunigen des Kraftfahrzeuges ändert sich auch der Ansaugdruck (Diagramm d). Durch Steuerimpulse dieser Änderungen wird beim Beschleunigen ein Meßumformer nach F i g. 2 betätigt, dessen Stellimpulse (Diagramm e) ein Umschalten des Dreiwegeventil 21 in der Druckimpulsleitung 18 bewirken.

·) IIIVI IUI IM

eine Leitung 102 mit dem Ansaugrohr der Brennkraftmaschine verbunden. Beim Beschleunigen steigt der innendruck in der Druckkammer 106 und drückt eine Membran 104 gegen die Kraft einer Feder 107 in der Zeichnung nach rechts. Ein mit der Membran 104 verbundener Stößel 108 betätigt einen Schalter 109. der durch eine Leitung 110 die Stellimpulse gemäß F i g. 3e abgibt. Die Dauer eines Stellimpulses entspricht der Zeit, in !er sich die Drücke in den beiden Kammern 105 und 106 durch eine Überströmöffnung 103 in der Membran 104 ausgleichen. Der Stellimpuls gelangt über die Leitung 110 zu einer nicht dargestellten Betätigungsvorrichtung des Dreiwegeventil«!. 21. Durch Schließen dieses Ventils wird der Zusatzluftdruck in der Membrankammer 15 aufgehoben und damit die auf das Verschlußventil 9 in Öffnungsrichtung wirkende Kraft abgebaut. Gleichzeitig vergrößert sich die vom Abgasdruck auf das Verschlußteii 9 ausgeübte Schließkraft und daher schließt das Steuerventil 3 vollständig, so daß die vom Gebläse I geförderte Zusatzluft in einer der Beschleunigung entsprechenden Menge in die Nachbrennkammer 4 strömt. Das Ein- und Ausschalten kann noch von anderen Betriebsparametern, wie 7. B. die Maschinendrehzahl, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Brennstoffmenge oder von weiteren Faktoren abhängig sein.

Wenn z. B. zum Schutz von in der Nachbrennkammer vorgesehenen Katalysatoren die Zusatzluftrnenge verringert werden muß, wird das in der Druekimpulsleitung 19 angeordnete Mehrwegeventil 22 betätigt, so daß der Druck aus der Nachbrennkammer 4 von der Membrankammer 17 ferngehalten wird und daher das Vers..wlußteil 9 die Ventilöffnung 10 freigibt. Dadurch wird Zusatzluft aus dem Druckspeicher in die Atmosphäre abgelassen und die ϊίι die Nachbrennkammer eingeführte Zusatzluftmenge verringert Diese Regelung der Zusatzluft kann auch durch andere Betriebsparameter in der Nachbrennkammer, wie z. B. die Temperatur oder den Sauerstoffgehalt, beeinflußt sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regeleinrichtung für Zusatzluft zu einer im Strömungsweg der Abgase einer Brennkraftmaschine angeordneten Nachbrennkammer, in die eine von der Förderseite eines Zusatzluftgebläses ausgehende Zusatzluftleitung mündet, weiche in einem eine Verbindung mit der Atmosphäre herstellenden Ablaßzweig ein Steuerventil für die abzulassende to Teilmenge der Zusatzluft aufweist, wobei eine Steuermembran mit dem Verschlußteil des Steuerventils verbunden ist und die eine Seite der Steuermembran eine mit der Atmosphäre kommunizierende Referenzkammer begrenzt, während die auf der anderen Seite der Steuermembran vorhandene Membrankammer über eine Druckimpulsleitung mit einem Steuerdruck beaufschlagt ist. gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) in Qi.T 7ii"v?t/liiftleiumg (5) Kt stromab vom in Ablaßzweig eine feste Drossel (6) vorgesehen:

b) die Druckimpulsleitung (18) der Membrankammer (15) führt zu einer Stelle der Zusatzluftleitung (5) stromauf de>- festen Drossel (6):

c) mit dem Verschlußteil (9) des Steuerventils (3) ist eine zweite Steuennembran (13) verbunden, deren eine Seite mit dem Atmosphärendruck beaufschlagt ist und deren andere Seite eine zweite, im Gegensinn zur ersten Membrankammer M5) wirkend angeordnete Membrankam- JO mer (17) begrenzt, welche über eine zweite Druckimpulslehung (It/ mit dem Druck in der Nachbrenrkammor(4)beaufschlagt ist:

d) der Öffnungsgrad des . teuerventils (3) wird durch entsprechende Bemessung der Membranflächen (S\. .S%) in der Weise gesteuert, daß das Druckverhältnis /wischen dem Zusat/Iuftdruck stromauf der festen Drossel (6) und dem Druck (Pr) in der Nachbrennkammer (4) annähernd konstant ist.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß in der Zusat/Iuftleitung (5) llromauf der festen Drossel (6) ein Druckspeicher (2) •ngeordnet ist.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Referen/kammer |16) von beiden Steiiermembranen (12, 13) begren/t fet.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Druckimpulslei- w lung (18) cm Dreiwegeventil (21) angeordnet ist. dessen Betätigungsvorrichtung durch einen mn der Saugleitung der Brennkraftmaschine verbundenen Meßumformer (101) gesteuert ist

0. Regeleinrichtung nach Anspruch I, dadurch Si gekennzeichnet, daß in der zweiten Druckimpulslei lung (19) ein Mehrwegeventil (22) angeordnet ist. das in Abhängigkeit von bestimmten Betnebspara-•letcrn in der Nachbrennkammcr (4) die zweite pruckimpulslcitung (19) Verschließen kann und hierdurch das Vefschlüßtcil (9) in Offenstellung führt=