DE2449954C2

DE2449954C2 - Rückführsystem für das Abgas eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE2449954C2
Application number: DE2449954A
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Fujisawa Hata; Kenji Yokohama Ikeura; Masaaki Chigasaki Ozeki
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1973-10-23
Filing date: 1974-10-21
Publication date: 1984-09-13
Also published as: JPS5068555A; DE2449954A1; GB1447124A

Description

Die Erfindung betrifft ein Rückführsysterc nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem solchen, aus der DE-OS 20 64 266 bekannten Rückführsystem wird ein Teil der Abgase im Kreislauf zu dem Ansaugsystem des Motors zurückgeführt, um bei der Verbrennung die Spitzentemperaturen in den Brennkammern und damit die Bildung der Stickoxide zu verringern. Dabei muß notwendigerweise das quantitative Verhältnis des zurückgeführten Abgases zu dem frischen Gas, das in das Ansaugsystem eingeführt wird, nämlich die Rückführgeschwindigkeit, entweder auf einen konstanten Wert oder in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors auf einen variablen Wert eingeregelt werden, damit das Rückführsystem auf den bestmöglichen Wirkungsgrad eingestellt werden kann, ohne daß dadurch der Wirkungsgrad des Motors in nachteiliger Weise verschlechtert wird. Daraus ergibt sich, daß die tatsächliche Rückführgeschwindigkeit festgestellt werden muß. Zur Abschätzung der tatsächlichen Rückführgeschv»indigkeit benutzt das bekannte Rückführsystem einen Fühler für die augenblickliche Fahrzeuggeschwindigkeit, einen Fühler für die Motortemperatur, einen Fühler für den Ansaugleitungsunterdruck, einen Fühler für den Drosselöffnungsgrad sowie den Abgastemperaturfühler. Sowohl die Abschätzung der tatsächlichen Rückführgeschwindigkeit als auch eine aufgrund dieser erfolgende Änderung der Rückführgeschwindigkeit mit Hilfe des Steuergerätes kann bei dem bekannten Rückführsystem nur über den die Rückkopplungs- bzw. Regelschleife schließenden Verbrennungsmotor selbst erfolgen, um bestimmte Motorbetriebsbedingungen zu erreichen. Eine solche Einstellung der Rückführgeschwindigkeit ist aber relativ träge und ungenau, da sie nur über die am Verbrennungsmotor selbst gemessenen Betriebsparameter indirekt erfolgt.

Rückführgeschwindigkeiten wurden auch durch konventionelle Gasströmungsmesser bestimmt Ein Nachteil dieser Strömungsmesser liegt jedoch darin, daß sie bei längerem Gebrauch durch die Abgase verschmutzt und beschädigt werden, so daß ihre Meßgenauigkeit merklich abnimmt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rückführsystem so weiterzubilden, daß die tatsächliche Rückführgeschwindigkeit des Abgases unmittelbar abzuschätzen ist, ohne daß dazu ein Strömungsmesser für die rückgeführten Abgase erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Rückführsystem umfaßt also eine dritte Einrichtung, um die jeweilige Temperaturen des frischen, in das Ansaugsystem des Motors eingeführten Gases, des rückgeführten Abgases und des sich ergebenden Gemisches aus den beiden Gasen zu messen und drei elektrische Signale zu erzeugen, die jeweils die gemessenen Temperaturen darstellen. Weiterhin ist eine vierte Einrichtung vorgesehen, die ein viertes elektrisches Signal erzeugt, das beruhend auf den drei Temperatursignalen und den bekannten Werten für die spezifischen Wärmen der jeweiligen Gase die tatsächliche Rückführgeschwindigkeit des Abgases darstellt. Das vierte Signal wird an ein herkömmliches Steuergerät gegeben, das den Fluid-Kreislauf derart steuert, daß ein gewünschter Teil des Abgases zum Ansaugsystem zurückgeführt wird. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die vierte Einrichtung zur Erzeugung des vierten Signals eine Analog-Recheneinheit mit mehreren Rechenverstärkern.

Bei der Erfindung wird also das Massenverhältnis der beiden Gase, die miteinander gemischt werden, aus den Temperaturen der jeweiligen Gase und des sich ergebenden Gemisches abgeschätzt.

Wird ein Gas mit einem anderen Gas gemischt, das eine höhere Temperatur als das zuerst genannte Gas hat, so kann die Beziehung zwischen dor Temperatur des sich ergebenden Gemisches und den Mengen der jeweiligen Gase durch die folgende bekannte Gleichung ausgedrückt werden:

Q ■ C_a ■ T_a + q ■ Ce ■ Te = (Q + q)C_m ■ T_n,. (1)

Dabei bedeuten: Q und q (kg/min) die Strömungsgeschwindigkeiten des ersten bzw. zweiten Gases, die miteinander gemischt werden; C_a, C_e und C_m (kcal/kg⁰C) Werte der spezifischen Wärme bei kosntantem Druck des ersten Gases, des zweiten Gases bzw. der gemischten Gase; Tg, T_e und T_m (⁰C) die Temperaturen dieser Gase.

Die Gleichung (1) kann in die folgende Gleichung umgewandelt werden:

7· _ ftt

— ■ T - T

Die auf der linken Seite stehende Größe q/Q ist das quantitative Verhältnis des zweiten Gases zu dem ersten Gas. Da die Werte C C_c und C_n, für die spezifischen Wärmen als bekannte Faktoren betrachtet werden können, kann q/Q berechnet werden, wenn die Temperaturen T₃, Tj und T_n, gegeben sind.

Es soll angenommen werden, daß das obenerwähnte erste Gas ein frisches Gas ist das in das Ansaug- oder Einlaßsystem eines Motors eingeführt wird (dieses frische Gas ist Luft, wenn das Abgas zu einer Luft-Reinigungsvorrichtung zurückgeführt wird, jedoch ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, wenn es zu den Einlaß- oder Ansaugleitungen des Motors zurückgeführt wird). 1st das zweite Gas ein Abgas, das zu dem Ansaugsystem zurückgeführt wird, dann stellt die Größe q/Q das Abgasrückführ- oder Rezirkulations-Verhältnis dar.

Der Wart C_n, für die spezifische Wärme des Gemisches, das sich aus der Rückführung des Abgases ergibt, kann berechnet werden, da sowohl der Wert C₄ für die spezifische Wärme von Luft (oder eines Luft-Kraftstoff-Gemischs) als auch der Wert C_c für die spezifische Wärme des Abgases bekannt sind. Die folgende Tabelle stellt einige Werte für C₃ und C_c zusammen, die entnommen sind der Veröffentlichung »Nainen Kikan Kogaku (Internal Combustion Engine Engineering)« von M. Awano, Tokio (1963). Die Werte für C_e betreffen ein Abgas, das sich aus einem Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem stöchiometrischen Mischungsverhältnis ergibt.

Temperatur (⁰C)	Spezifische Wärme (kcal/kg⁰ C)	Ce(Abgas)
	G(Luft)
10	0,240
20	0,240
30	0,241
40	0,242	0,255
50 .	0,242	0,257
100		0,260
150

Aus diesen Daten ergibt sich, daß die Temperaturen des rückgeführten Abgases und damit des sich ergebenden Gemisches, das dem Ansaugsystem zugeführt wird, in relativ engen Bereichen liegen, beispielsweise 100 bis 150⁰C bzw. 40—50⁰C, können in einer für die Praxis verwendbaren Näherung sowohl CJC_n, als auch CJC_n, in Gleichung (2) als 1,0 angenommen werden. Dann kann die Rückführungsgeschwindigkeit des Abgases durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

T-T

^lm 'a

T-T

¹ e ' m

tung 19, so daß das Betätigungsglied 18 dem Vakuum in dem Ansaugrohr 13 ausgesetzt wird, und einem Magnetventil 20, daß das auf das Betätigungsglied 18 wirkende Vakuum regelt Über das Ventil 20 kann die Leitung 19 durch eine Öffnung 21 mit der Atmosphäre in Verbindung kommen. Weiterhin regelt das Ventil 20 das auf das Betätigungsglied 18 wirkende Vakuum durch die Änderung seiner Öffnung in Abhängigkeit von einem Signal S_p von einem Steuergerät 33, das im folgenden

beschrieben werden soll. Einrichtungen mit dem hier beschriebenen Aufbau sind bei der Rückführung von Abgasen üblich und werden herkömrnlicherweise verwendet, so daß auf eine ins Einzelne gehende Beschreibung verzichtet werden kann

Es sind drei Temperaturfühler, beispielsweise die Thermoelemente 22,23 und 24 in der Nähe eines Einlasses 25 der Einlaßleitung 16, weiterhin in der Rückführleitung 15 an einer Stelle, die nahe bei ihrer Abzweigung 26 von der Einlaßleitung 16 liegt, sowie in der Luftreinigungsvorrichtung 11 vorgesehen, um die Temperatur T₁, der zugeführten Luft, 7"_cdes rückgeführten Abgases und T_n, des sich ergebenden Gemisches aus Luft und Abgas zu messen.

Das dargestellte Rückführsystem weist weiterhin eine Analog- Recheneinheit 27auf,derdie festgestellten Gastemperaturen als elektrische Signale T₃, T_c und T_n, zugeführt werden. Im Schaltdiagramm der Einheit 27 stellen die hinzugefügten Buchstaben A, B, r und die Zahl 1 bei jedem Widerstand R die jeweiligen relativen Widerstandswerte dar. Ein erster Rechenverstärker 28 empfängt das Signal T_a und gibt ein Ausgangssignal der Größe — A · T_a ab, woraufhin ein zweiter Verstärker 29 dieses Ausgangssignals zu dem Signa! T_n, addiert und ein Ausgangssignal erzeugt, das — T_n, + A ■ T₃ entspricht.

Ein dritter Verstärker 30 empfängt das Signal T_e und verstärkt es zu — ß ■ T^ Ein vierter Verstärker 31 empfängt dieses Ausgangssignal — B ■ T_e zusammen mit dem Signal T_n, und gibt ein Ausgangssignal ab, das r (— T_n, + B · T_e) darstellt. Die Ausgangssignale des zweiten und vierten Verstärkers 29 bzw. 31 werden auf einen fünften Verstärker 32 gegeben, der ein Ausgangssignal 5j erzeugt das

T_n-A-T₀ BT_t-T_m

entspricht. Ein Widerstand (kein Bezugszeichen) auf der Ausgangsseite des letzten Verstärkers 32 kann einen beliebigen Wert haben, um den Pegel des Signals Si als Eingangssignal zu der Steuereinheit 33 einzustellen. Die Widerstandswerte A und B können zu

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Wie sich aus der Zeichnung ergibt, wird eine bevorzugte Ausführungsform des RückführuMgssystems bei einem Verbrennungsmotor 10 mit einer Luft-Reinigungsvorrichtung 11, insbesondere einem Luftfilter, einem Vergaser 12, einem Ansaugrohr 13 und einem Abgasrohr 14 eingesetzt. Der Fluid-Kreislauf besteht im wesentlichen aus folgenden Teilen: einer Rückführleilung 15, die das Abgasrohr 14 mit einer Lufteinlaßleitung 16 in Strömungsrichtung gesehen vor der Luftreinigungsvorrichtung 11 verbindet. Weiterhin einem Steuerventil 17, das in der Leitung 15 angeordnet ist, einem Betätigungsglied 18 für das Ventil 17, einer Lei-

c_m

bzw. B =

ausgewählt werden, wenn die Gleichung (2) für die Abschätzung der Rückführgeschwindigkeit q/Q verwendet wird. Als Alternative hierzu kann A = B = 1 sein, wenn die Gleichung (3) benutzt wird. Damit stellt das Ausgangssignal S\ der Recheneinheit 27 die tatsächliche Rückführgeschwindigkeit des Abgases in dem oben beschriebenen Fluid-Kreislauf dar.

Das erwähnte Steuergerät 33 unterscheidet sich nicht grundsätzlich von den für den gleichen Zweck verwendeten herkömmlichen Steuergeräten, wenn die tatsächliche Riizirkulationsgeschwindigkeit mit Hilfe von Strömungsmessern festgestellt wird. Ein Komparator 34 des Steuergerätes 33 empfängt das Signal 5Ί von der Re-

cheneinheit 27 und vergleicht das Signal S\ mit einem Funktionssignal Sr, das von einem Funktionsgeber 35 geliefert wird. Dem Funktionsgeber 35 werden Eingangssignale zugeführt, die bestimmte Daten darstellen, die sich auf den Laufzustand des Motors 10 beziehen. Dazu gehören beispielsweise ein Signal S_r für die Motordrehzahl, ein Signal S_v für das Vakuum in der Einlaßleitung, und ein Signal 5, für die Motortemperatur. Der Funktionsgeber erzeugt das Funktionssignal 5/, das unter den aus den Eingangsdaten S_n S* und 5, geschätzten Betriebsbedingungen des Motors die beste Rückführgeschwindigkeit des Abgases darstellt. Der Komparator 34 erzeugt ein Ausgangssignal ±S2, das proportional zu einer plus oder minus- Abweichung des Signals Si von dem Signal Sf ist. Einem Addierglied 36 wird kontinuierlieh ein oszillierendes Spannungssignal oder eine »Zitterspannung« Sd, beispielsweise in Form einer kontinuierlichen Sägezahnwelle, die durch einen Zitterspannungsgenerator 37 erzeugt wird, zugeführt. Dabei nimmt das Addierglied 36 das Ausgangssignal 52 des !Comparators 34 auf. In dem Addierglied 36 wird das Zittersignal Sd dem Signal S2 überlagert, so daß ein Impulssignal ±Sp mit einer Zeitdauer entsteht, die der Größe des Signals 52 entspricht

Das Magnetventil 20 wird durch das so erzeugte Signal 52 auf herkömmliche Weise betätigt, um die Größe des Vakuums an dem Betätigungsglied 18 durch die Leitung 19 einzuregeln. So kann z. B. das Ventil 20 in schwingenden Bewegungen arbeiten, um seine öffnung um a + Sp zu vergrößern und um — 5_P zu verkleinern.

Die Rückführgeschwindigkeit des Abgases wird durch die so gesteuerte Funktionsweise des Betätigungsgliedes 18 variiert, wobei sich zwangsweise die Temperatur T_n, des zugeführten Gemisches ändert Die geänderte Temperatur T_n, wird wiederholt zurück zu der Recheneinheit 27 geführt, bis die Abweichung des Signals Si Null wird. Das bedeutet, daß bei dem spezifischen Betriebszustand des Motors die gewünschte Rückführgeschwindigkeit des Abgases erreicht ist

Selbstverständlich kann auf den Funktionsgeber 37 verzichtet werden, wenn die Rückführgeschwindigkeit des Abgases auf einen konstanten Wert eingeregelt werden soll. In diesem Fall wird das Signal Si einfach mit einem vorher bestimmten Pegel des Bezugswertes in dem Komparator 34 verglichen.

Wie sich aus der Beschreibung ergibt, kann diese Anordnung auch bei herkömmlichen Rückführsystemen für das Abgas angewandt werden, ohne daß eine grundlegende Modifikation entweder des Fluid-Kreislaufes oder des Steuergerätes erforderlich ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

55

60

65

Claims

β te;» Patentansprüche:

1. Rückführsystem für das Abgas eines Verbrennungsmotors mit einem Fluid-Kreislauf zur Rückführung eines Teils des Abgases von der Abgasanlage zu dem Ansaugsystem des Motors mit einer ersten Einrichtung, die die tatsächliche Rückführgeschwindigkeit des Abgases abschätzt, und einer zweiten Einrichtung, die den Fluid-Kreislauf so steuert, daß eine vorher bestimmte Größe der Rückführgeschwindigkeit des Abgases beruhend auf der Abweichung der geschätzten, tatsächlichen Rückführgeschwindigkeit des Abgases von dem vorher bestimmten Wert erreicht wird, mit einem Abgastemperaturfühler für das Erfühlen der Motorbetriebsbedingungen zur Erzeugung entsprechender elektrischer Signale und einem Steuergerät, das auf die elektrischen Signale anspricht und die individuell vorbestimmten Bedingungen feststellt, um die Abgasrückführung zu aktivieren, gekennzeichnet durch eine dritte Einrichtung (22,23,24), die die jeweiligen Temperaturen des frischen, in das Ansaugsystem einzuführenden Gases, des rückgeführten Abgases und des sich ergebenden Gemisches mißt und drei elektrische Signale (T₁, Τ_Λ T_m) erzeugt, die jeweils die gemessenen Temperaturen darstellen, und durch eine vierte Einrichtung (27), die ein viertes elektrisches Signal (S\) erzeugt, das beruhend auf den drei Signalen, (T* T_a T_m) und den Werten für die spezifische Wärme der jeweiligen Gase die tatsächliche Rückführgeschwindigkeit des Abgases darstellt.

2. Rückführsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung eine Analog-Recheneinheit (27) aufweist.