DE2508736A1

DE2508736A1 - Auspuffgas-emmissions-regelsystem

Info

Publication number: DE2508736A1
Application number: DE19752508736
Authority: DE
Inventors: Larry Omar Gray; Richard Nelson Young
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1974-03-04
Filing date: 1975-02-28
Publication date: 1975-09-18
Also published as: ES435262A1; FR2263385B1; GB1494687A; JPS50125128A; NL7502557A; SE408081B; AU7875275A; JPS6011214B2; IT1033379B; SE7502398L; FR2263385A1; US3915134A; CA1015623A

Description

COHAUSZ & FLORACK

D-4 DÜSSELDORF ■ SCH U M ANN STR. 97

PATENTANWÄLTE:
DIpl.-Ing. W. COHAUSZ · Dipl.-Ing. W. FLORACK · Dipi.-In₃. R. KNAUF ■ Dr.-Ing., Dipl.-W.'rtsch.-Ing. A. GERBER - Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ

23. Februar 1975

DANA CORPORATION

45OC Door Street

Oity of Toledo, State Ohio

United States of America

Auspuffgas-3mmissions-Reglsystem

Diese Erfindung betrifft ein System zur Regelung der Auspuffgas-Bestandteile von Diesel-Verbrennungsmotoren und dort insbesondere zur Regelung der Immission der Oxide des Stickstoffs in solchen Auspuffgasen.

Die weltweite Bevölkerungszunahme und die unkontrollierte Zunahme der Mechanisierung in allen Lebensbereichen hat eine zunehmende Beschäftigung mit der Umwelt hervorgerufen. Regierungen haben erst kürzlich einbegriffen, um die Umwelt vor Verunreinigungen zu schützen, die/Verbrennungsmotoren erzeugt werden. Die Abgase von Verbrennungsmaschinen bestehen aus verschiedenen Bestandteilen, die zahlreiche Oxidationsprodukte der Verbrennung enthalten. Ds sind u.a. Kohlendioxid und '.lasser und unerwünschte Verunreinigungen wie teiloxidierte, gespaltene und andere kohlewasserstoffe, Kohlemonoxid, Oxide des Stickstoffs und Spuren von verschiedenen Verunreinigungen. Die Kohledioxide- und Wasserausscheiciungen sind unschädlich. Jedoch die anderen Auspuff- Ausscheidungen sind als höchst unerwünscht zu betrachten.

Es ist allgemein verständlich, daß die Anwesenheit von otickoxiden im Maschinenabgas durch die Verbrennungstemperatur bestimmt ist. ^in Ansteigen der Verbrennungsteniperatur veranlasst eine Zunahme der Anreicherung mit Stick-

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oxiden, die im i-iaschinenabgas vorhanden sind. Esist deshalb wünschenswert, die Verbrennungstemperatur zu regeln, um die im Abgas einer Verbrennungsmaschine enthaltenen Stickoxide zu begrenzen. Sine früher vorgeschlagene Art zur Begrenzung oder Regelung der Verbrennungstemperatur bestand darin, daß ein Teil der Abgase zurück in die Ansaugluft der Maschine geleitet wurde. Da das Auspuffgas weniger Sauerstoff enthält, ergibt sich ein reicheres Verbrennungsgemisch, das bei einer geringeren Temperatur verbrennt. Die niedrigere Verbrennungstemperatur ihrerseits verringert folglich die Menge der Stickoxide, die während der Verbrennung erzeugt werden.

Die Betriebsbedingungen, die die höchsten Verbrennungstemperaturen zur Folge haben, sind vom Typ der Verbrennungsmaschine abhängig. In einem Benzinmotor mit Funkenzündung z.B. ist die Verbrennungstemperatur während des Leerlaufs niedrig. Die Temperatur wird auch bei weit geöffneter Drosselklappe niedrig sein, weil Maschinen dieses Typs unter dieser Bedingung ein reiches Brennstoffgemisch haben. Imgünstigsten Fall sollte kein Auspuffgas zurückgeführt wer-r den, während die Maschine im Leerlauf arbeitet. Vom Leerlauf an sollte die Menge des zurückgeführten Abgases bis zu einer bestimmten Teillast der Maschine ansteigen und von solcher Teillast an abfallen bis zur weit geöffneten Drosselklappe. In einer Dieselmaschine ist andererseits eine maximale Verbrennungstemperatur während des nichtbelasteten Zustandes im Leerlauf vorhanden. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, eine maximale Gasrückführung während des Leerlaufs zu haben und diese Menge zu verringern, während die Belastung der Maschine auf 1CO °/o der Nennlast ansteigt.

Verschiedene Arten der Regelung zur Auspuffgasrückführung wurden in der früheren Art vorgeschlagen. In einer früheren Art der Regelung für eine Dieselmaschine fließt das zurückgeführte Gas durch zwei getrennte Reihen von verbundenen Ventilen. Ein Ventil ist in Abhängigkeit vom j3inlaß-Unterdruck pneumatisch geregelt, und das andere Ventil ist mechanisch in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl geregelt. Das Gesamtresultat dieser beiden Rege-

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lungen ist, daß das rückgeführte Auspuffgas nach der Maschinenbelastung,' geregelt wird, die eine Funktion von beiden ist, dem Ansaugeunterdruck und der Maschinendrehzahl. In einer anderen früheren Art den? Rückführungs-Regelung wird ein drittes Ventil für jeden Zylinder vorgesehen, um Auspuffgas unmittelbar in den Zylinder zu leiten. Ein mechanisches Ventil ist vorgesehen, das in Reihe geschaltet ist zwischen Maschinenauspuff und allen Ventilen, die das Auspuffgas in die Zylinder leiten, umso die Menge des rückgeführten Gases zu regln. Verschiedene Systeme wurden auch an funkengezündete Verbrennungsmaschinen angepasst. Jedoch jedes der vorgeschlagenen frühren Systeme zur Auspuffgas-Rückführung enthält eine mechanische Regelungs-Bedienung in der Art von Nocken, Zentrifugalkraft-Fühler, pneumatische Unterdruck- oder Druckfühler und dergleichen. Obwohl die Systeme der früheren Ausführung die Anteile an Stickoxiden im Maschinen-Auspuffgas verringern, so geben sie doch allgemein keine genau arbeitende Regelung, die eine minimale Menge von Stickoxiden unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet. Zudem benutzen sie alia mechanische Regelungen, die unzuverlässig sein können.

Ein Gegenstand der Erfindung ist die Einführung einer elektronischen Regelung, um über die Abgasrückführung die Stickoxidabgabe von Verbrennungsmaschinen so klein wie möglich zu halten.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Einführung einer Verbesserung des Abgas-Rückführungssystems für Diesel-Maschinen.

Noch ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Einführung einer verbesserten Abgas-Rückführungsregelung für Diesel-Maschinen, die bei größtem Wirkungsgrad unter verschiedenen Betriebsbedingungen von Belastung und Maschinendrehzahl die Stickoxidabgabe verkleinert.

Diese Gegenstände der Erfindung werde vervollständigt durch die Einführung eines Auspuffgas-Emmissions-Regelsystems für eine Verbrennungsmaschine, die eine

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Luftansaujung und einen Auspuff hat. Dieses Regelsystem hat ein Ventil zur wahlweisen Rückführung eines Teils des Auspuffgases zur Luftansaugung. Das genannte Ventil kann zwischen einer ersten Fosition, bei der eine vorbestimrnte maximale Menge, und einer zweiten Position, "bei der eine vorbestimmte minimale Menge von Auspuffgas zurückgeführt wird, bewegt werden. Ein Fühler zur Erzeugung eines elektrischen signals abhängig von der Belastung der Maschine und ein Srellungsregler bewegen besagtes Ventil zwischen der genannten ersten und zweiten Fosition entsprechend dem Signal zur Verkleinerung der Stickoxide, die im Maschinen-Auspuffgas enthalten sind.

Andere Gegenstände und Vorteile der Erfindung erscheinen in der folgenden ^inzelbeschreibeung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen ist:

Figur 1 ein schematisches Block-Diagramm einer Verbrennungs-Maschine mit einem Auspuffgas-Rückführunrssystem, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist,

Figur 2 ein ausführliches schematisches Block-Diagramm einer Auspuffgas-Rückführungsregelung konstruiert in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungder Erfindung,

Figur 3 eine graphische Darstellung typischer Signale, die zum Betrieb des Stellmotors für das Auspuffgas-Rückführungsventil erzeugt werden,

Figur 4 ein Kurvenblatt, das typische Betriebs-Kennzeichen für eine zweite Ausführung einer Regelung für ein Auspuffgas-Rückführungssystem zeigt entsprechend der vorliegenden Erfindung,

Figur 5 sin ausführliches, schematisches Block-Diagramm der zweiten Ausführung einer Auspuffgas-Rückführungsregelung entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Bezgnehmend auf die Zeichnungen und speziell auf Figur 1 so zeigt diese ein Block-Diagramm für ein Auspuffgas-Rückführungssystem 10, das die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung enthält. Das System 10 wird mit einer

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üblichen Diesel-Maschine 11 verbunuen gezeigt, die z.B. in Zugmaschinen, Kaschinenanlagen und dergleichen benutzt wird. Die i)iesel-Haschine 11 hat den Lui'teinlaß 12 und den Auspuffgas-Austritt 13. Der Auspuffgas-Austritt 13 ist ö.urch ein Ventil 14 mit dem Auspuffrohr 15 verbunden, daa zur Aubenluft führt. Das Auspuffrohr 15 kann ein Schalldämpfersystem enthalten (nicht gezeigt). Das Ventil 14- enthält eine einstellbare Klappe 16, die eine gereglte Menge von Auspuffgas durch eine Rückleitung 17 zur Ansaugluft 12 ableitet.

iner oder mehrere Fühler 18 sind mit der waschine 11 verbunden, um schließlich die Maschinenlast und in einem besonderen Ijibauteil auch die Maschinendrehzahl zu messen. Die Ausgangsspannung der Mihler 18 wird auf einen elektronischen Hegler 19 gegeben, der einen Iiotor 20 zur Verstellung eier Ventilklappe 16 treibt. Wine Rückkopplungsschaltung ist zweckmäßig mit einzubeziehen, um einen einwandfreien Betrieb des Auspuffgas-Rückführungssystems 1ü sicher zu-stellen. Die Rückkopplungsschaltung schließt einen Ventilstellungsfühler 21 ein, der ein Signal zum elektronischen Segler 19 gibt, der wiederum abhängig ist von der Stellung der Ventilklappe 16. Der elektronische Kegler dient dazu, das Signal entsprechend der jeweiligen Stellung der Ventilklappe 16 mit einer gewünschten Stellung, die durch die Belastung der Maschine bestimmt ist und vom Fühler 18 abenommen wird, zu vergleichen und ein resultierendes Signal zum Antrieb des Ventil-Stellmotors 20 zu benutzen. Ganz allgemein: Der elektronische Regler 19 treibt den iiotor 20, um die Ventilklappe 16 so zu stellen, daß eine vorbestimmte maximale Menge von Auspuffgas unter Leerlaufbedingungen zurückgeführt wird, und die Menge der Auspuffgas-Rückführung durch Schließen der Ventilklappe 16 linear so zu verkleinern wie die Maschinenlast auf 1GC-. Nennlast ansteigt und praktisch kein Auspuffgas mehr durch die 'iückleitung 17 geführt wird. Der elektronische Segler 19 ist auch zur Sicherstellung- eingeführt, daß die Ventilklappe 16 in ihrer größten Öffnungsstellung ist zur Rückführung einer Ilaximalmenge von Auspuffgas, wenn entweder die Maschinenlast oder die Maschinend:?ehzahl

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kleiner ist als ein vorbestimmtes Maß. Dies stellt sicher, daß die Ventilklappe 16 offen bleibt sowohl,beim Leerlauf als auch bei minimaler Belastung der haschine.

In jigur 2 ist ein schematisches Blockdia^raiiim für die Auspuuffgas-Rückführung nacii System 10 mit Einzelheiten der Verbindungen zu einem elektronischen Regler 19 gezeigt, der die oben beschriebenen Funktionen ausführt. Wie vorher erwähnt ist es notwendig, die Belastung der Waschine abzutasten, Für eine Diesel-Maschine kann die Belastung schnell aus der Stellung der Zahnstange, die die Menge Brennstoff regelt, die in jeden Zylinder eingespritzt wird, gemessen werden. Die Stellung der Zahnstange kann nach verschiedenen üblichen Methoden gemessen werden. Z.B. kann ein linearer Spannungs-Differential-Umsetzer mit einem Magnetkern verbunden werden, der von der Zahnstange bewegt wird. Jedoch hat diese Anordnung Nachteile durch die Anbringung eines Gewichts auf die Zahnstange, das den Betrieb der Maschine beeinflussen kann besonders dort, wo die Zahnstangenstellung durch einen empfinlichen Regulator eingestellt wird. Bevorzugt wird eine Zahnstangenstellungs-Bestimmung durch einen Abstandsdetektor oder eine andere einrichtung, die nicht unmittelbar mit der Zahnstange verbunden werden muß.

Wie in Figur 2 gezeigt ist, besteht der Belastungsfühler 18 aus einer Abstands-Sonde 25, welche die Stellung einer Nockenoberfläche 25 abtastet, die von der Zahnstange getragen wird (nicht gezeigt), "liin Oscillator 27 ist angeschlossen, um ein verhältnismäßig niederfrquentes Wechselstromsignal zum Eingang der Abstandssonde 25 zu liefern. Das Wechselstromsignal kann z.B. in der Größenordnung von 3 kHz liegen, obgleich die Frequenz nichc kritisch' sondern von der Auslegung der Sonde abhängig ist. Die Abstands-Sonde wird dann einen Ausgangsstrom 28 von der gleichen Frequenz haben wie die des Oscillators 27 und eine Amplitude, die umgekehrt von dem Abstand des Nocken 26 abhängt.

Der Ausgang 28 der Sonde 25 ist über einen Trenn-Verstärker 29 mit einem Demodulator 30 verbunden, der z.B. aus einem Halbwellen-Gleichrichter bestehen kann. Der Demodulator JO hat einen Ausgang 31» der über ein

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Tiefpass-Filter 32 mit einem Eingang einer Vergleichsschaltung 33 verbunden ist. Der Tiefpass-Filter 32 sollte eine ausreichend tiefe Sperre haben, da zum Filter jede Vibration der Maschine über den Nocken 26 kommt. Der Tiefpass-Filter 32 ist nur zum partiellen Filtern des Demodulator-Ausgangs 31 ausgelegt und hinterläßt eine Oberwelle auf dem Signal, das in der Vergleichsschaltung 33 benutzt .wird, und die gleiche Frequenz hat, wie sie am Ausgang des Oscillators 27 ist. DerAusgang 31 vom Demodulator 30 ist auch über eine Diode 34 und einen veränderlichen '''iderstand 35 mit Masse verbunden. Der veränderliche Widerstand 35 kann zur Einstellung des Bereiches des Bereiches oder der BeIc-stungsspanne, über die das Auspuffgas-Rückführungs-Ventil 14 betrieben wird, benutzt werden.

Der Ausgang des Oscillators 27 ist auch mit dem Ventilstellungsfühler 21 verbunden, der mit der Abstandssonde übereinstimmt. Ein Nocken 37 ist angebrach-t, um vom Ventil-Stellmotor 20 angetrieben zu werden zusammen mit der einstellbaren Ventilklappe 16. Die Abstandssonde 36' ermittelt den Abstand zu dem Nocken 37 und erzeugt ein Ausgangssignal, das umgekehrt proportional zum Abstand ist. Somit wird das Ausgangssignal 38 von gleicher Frquenz sein wie der Ausgang des Oscillators 27 und wird in dem Maß größer,wie der Nocken 37 sich der Abstandssonde 36 nähert.

Der Abstandssonde-Ausgang 38 ist über einen Sperrverstärker 39 mit dem Demodulator 40 verbunden. Eine konstante Gleichspannung ist auch an den Demodulator 4-0 von einem Potentiometer 4-1 aus gelegt, das zwischen einer Spannungsquelle und Masse liegt. Die konstante Gleichspannung gibt dem Demodulator 40 eine Vorspannung,um den Nullpunkt im System 10 zu stabilisieren. Der Ausgang des Demodulators 40 ist über ein Tiefpass-Filter 42 mit einem zweiten Eingang der Vergleichsschaltung 33 verbunden, um einen Vergleich mit dem Ausgang des Tiefpass-Filters 32 durchzuführen. In einer typischen Dieselmaschine ist die Spitzen-Maschinen-Vibration in der Größenordnung zwischen 20 Hz und 50 Hz. Derartige Vibrationen können ein Flattern der Ventlklappe 16 verursachen, und deshalb sollte der Ausgang 38 der Abstandssonde 36 gefiltert werden.

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Es wurde festgestellt, daß eine Sperrfrequenz von. 33 Hz für den Tiefpass-Filter genügend wirksam ist, um ein kräftiges, konstantes Signal auf die Vergleichsschaltung 33 zu geben. Dieses Signal hat eine Amplitude, die von der Stellung- der -Ventilklappe 16 bestimmt wird.

Der Ausgang der Vergleichsschaltung 33 ist über einen Verstärker 43 an einen zweipoligen Schalter 44 gelegt, der den Ventilstellmotor 20 steuert. DieArbeitsweise der Vergleichsschaltung 33 und des zweipoligen Schalters 44 zum Betrieb des Motors 20 kann besser verstanden werden, wenn jetzt die Figur 3 betrachtet wird· Der Linienzug A in Figur 3 zeigt typische Eingangssignale, die zum Komparator 33 kommen. Der Tiefpass-Filter 32 gibt ein Signal 48 an den Komparator 33» während der Tiefpass-Filter 42 ein Signal vom Typ 49a, 49b oder 49c wie dargestellt auf den Komparator 33 gibt. Der Komparator 33 kann aus einem Schmitt-Trigger bestehen, der als Schwellwert-Detektor arbeitet, und gibt eins von zwei Ausgangssignalen, das davon abhängig ist, welches von seinen zwei Eingangssinalen das größere ist. Falls während der meisten Zeit das Ventil-Stellungssignal größer oder sehr nahe an dem höchsten Welligkeits-Pegel des Lastsignal s 48 ist iirie in 49a gezeigt, dann wird ein Signal des Typs wie in Figur 3 B gezeigt auf den zweipoligen Schalter 44 gegeben, ^Tienn der Welligkeits-Pegel des Lastsignals 48 50$ über und 50% unter dem Ventil-Stellungssignal ist wie in 49b gezeigt, dann wird ein Signal vom Typ Figur 3 C auf den zweipoligen Schalter 44 gegeben. Falls die Amplitude der Welligkeit des Maschinenlast-Signals 48 über dem Ventilstellungssignal liegt wie in 49c gezeigt, dann wird ein Signal wie in Figur 3 B gezeigt auf den zweipoligen Schalter 44 gegeben. Der zweipolige Schalter 44 gibt ein Signal an den Ventilstellmotor ähnlich denen, die in den Figuren 3 B, G und E gezeigt sind. Diese Signale wechseln zwischen gleichen positiven und negativen Spannungen. Falls das Ausgangssignal des zweipoligen Schalters 44 von der Art wie in der Figur 3 C gezeigt ist, so folgt eine 50<ö Einschaltdauer und der Motor 20 steht still, da er nicht imstande ist, den fol-

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3 kHz Pulsen zu folgen, und wird deshalb auch nicht pendeln. Wenn jedoch ein Vergleich der Ventilstellung und der Last angibt, daß das Ventil geöffnet oder geschlossen werden sollte, wechselt die Einschaltdauer von der in Figur 3C gezeigten nach einer von jenen, clie iⁿ Figur 3B oder Figur 3D gezeigt sind. Wenn der Strom, der auf den Motor 20 gegeben wird, von der Art ist wie in Figur 3B» so kommt ein negativer Impuls zum Motor 20, dessen Zeitdauer länger ist als der eines positiven Impulses, und der Motor 20 wird in einer -^ichtung angetrieben. Wenn der Stromimpuls, der auf den Motor 2o gegeben wird, auf den Verlauf nach Figur3D wechselt, so wird das Signal am Motor 20 für eine längere Zeit positiv sein als es negativ ist, und der Motor wird in der anderen Richtung angetrieben. Wenn die Ventilklappe 16 in eine Stellung gebracht ist, die den Forderungen der Maschinenlast nicht entspricht, so wird die Einschaltdauer des Stromes, der zum Motor 20 geleitet wird, so gewechselt, daß sie dem Verlauf von Figur 3D entspricht. Das auf den Motor 20 gegebene Signal wird für längere Zeit Positiv sein als es negativ ist, und der Motor wird in umgekehrter Richtung angetrieben. V/enn die Ventilklappe 16 in eine Stellung gebracht ist, die den Forderungen der Maschinenlast entspricht, so wird die Einschaltdauer des Motors 20 50/50 angenähert, und das Motordrehmoment und die Drehzahl nehmen ab.

Allgemein sollte das Ventil 14 mit linearer Kennlinie betrieben werden mit linearen Lastweehseln. Es ist wünschenswert, ein Maximum von Rückführung des Auspuffgases bei O-Last und ein Minimum der Rückführung bei 10C# Nennlast zu haben; dabei soll der Anstieg der Menge des rückgeführten Auspuffgases zwischen diesen Punkten linear verlaufen. Obgleich das Ventil 14 eine lineare Kennlinie haben kann, so ist es doch weniger aufwendig, ein nicht lineares Ventil zu verwenden. Nichtlinearitäten in der Betriebsweise des Ventils 14 können dadurch kompensiert werden, daß die Oberfläche des Nockens 37» der mit der Ventilklappe zusammen gedreht wird, entsprechend geformt wird.

Wie zuvor erläutert ist es wünschenswert, einen

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maximalen Auspuffgas-Rückstrom zu erhalten, wenn die Maschine nur wenig belastet ist. Dies kann ergänzt werden durch Zufügen eines zweiten !Comparators 50 zur Schaltung nach Figur Der Komparator 50 vergleicht den Ausgang des Tiefpass-Filters 32 mit einer festen Spannung, die vom Potentiometer 51 gegeben wird. Das Potentiometer 51 wird dazu gebraucht, um einen Auslösepunkt einzustellen, bei dem das Rückstrom-Ventil 14 bis zur vollen Öffnung gedreht wird. Wenn die Maschinen-Brennstoff-Zahnstange sich unter den Auslösepunkt bewegt, ändert sich das Ausgangssignal des Komparators Dieses Ausgangssignal wird dem Komparator 33 zugeführt ebenso wie das Ventil-Stellungssignal vom Tiefpass-Filter 42. Der Komparator 33 hat dann ein gleichbleibendes Ausgangs-Signal ohne eine Beeinflussung vom Tiefpass-Filter 32 und veranlaßt, daß der Motor 20 das Ventil 14 voll öffnet.

Durch Beifügung zusätzlicher Regler für die Einstellung des Auspuffgas-Rückführungsventils 14 kann das Auspuffgas-Rückführungssystem 10 noch wirkungsvoller gemacht werden. Z.B.: Eine Diesel-Maschine wird normalerweise in der Größenordnung von 1800 bis 2800 Upm b^etrieben. Wird diese Maschine z.B. in einer Zugmaschine benutzt, so kann das Maximum der normalen Betriebsdrehzahl überschritten werden; während die Zugmaschine einen Berg im Freilauf hinunter fährt, wird der Fahrer normalerweise das Gaspedal loslassen. Da die Zahnstange eine O-Last anzeigt, wird das Auspuffgas-Rückführungsventil normalerweise voll aufgedreht sein. Unter diesen Beäinungen kann die Maschine Qualm ausstoßen, wenn der Fahrer wieder das Gaspedal tritt. Darum kann ein Kegler zugefügt werden, der das Auspuffgas-Rückführungsventil 14 in eine völlig geschlossene Stellung bringt, wenn die Maschine unter O-Last-Bedingungen steht und die Drehzahl eine vorgegebene Minimal-Drehzahl, z.B. 3000 Upm, übersteigt. Außerdem kann ein Hegler angebracht werden, um das Auspuffgas-Rückführungsventil 14in eine völlig offene Stellung zu bringen bei einer vorgewählten Minimal-Drehzahl, z.B. 1200 Upm, unabhängig von der Belastung der Maschine. Noch ein anderer Regler kann dazu vorgesehen werden, um den Qualm imnormalen Betriebsgebiet herabzusetzen, der, obwohl er nachweisbar weniger gefährlich ist als Stickoxid-Emmissionen, unerwünscht ist. 5Q9838/063* -11-

Es ist festgestellt worden, daß weniger Auspuffgas-Rückfluß bei kleiner Maschinendrehzahl zugelassen werden kann als bei höherer Maschinendrc-hzahl, umein Qualmen der Maschine zu verhindern. Dies ist hauptsächlich durch die Tatsache bedingt, daß bei höheren Maschinendrehzahlen ein beträchtlich größeres Volumen von Luft durch die Maschine geht· Deshalb kann auch noch ein Regler zugefügt werden, um die lineare Kurve,auf der das Auspuffgas-Rückführungsventil 14betätigt wird, entsprechend einer vorbestimmten Maschinendrehzahl zu verschieben. Z.B. kann das Qualmen verkleinert werden, wenn das Auspuffgas-Rückführungsventil 14 zwischen 35£> und Oyo des Auspuffgases zurückführt, falls die Maschine zwischen O-Last und Voll-Last unter 1950 Upm arbeitet, und zwischen 50% und 0% zurückführt, falls die Maschine oberhalb von 1950 Upm zwischen O-Last und Voll-Last btrieben wird. Diese Arbeitsweise des Auspuffgas-Rückführungsventils 14 ist in der Darstellung Figur 4 gezeigt.

Wenden wir uns nun Figur 5 zu. "Ssist dort ein ausführliches Blockdiagramm für den Apparat 52 gezeigt, der alle die oben beschriebenen Regler enthält. Der Apparat 52 enthält einen Oscillator 53» dessen Ausgang durch einen Sperr* Verstärker 54 zu den Eingängen von Abstandssonden 55 und-56 geht.Die Abstandssonde 55 ist zur Messung der Stellung des Nockens oder Hebels 57 angebracht, der von der Brennstoff-Zahnstange (nicht gezeigt) getragen wird, welche die Brennstoffeinspritzung bei einer Diesel-Maschine regelt. Die Ausgangsspannung der Abstandssonde 55 ist ein Wechselspannungs-Signal mit einer Amplitude, die umgekehrt proportional zum Abstand zum Nocken 57 ist, und die gleiche Frequenz wie der Oscillator 53 hat. Dieses Ausgangs-Signal wird über einen Verstärker 58 zu dem Demodulator 59 geleitet. Der Ausgang des Demodulators 59 wird durch ein Tiefpass-Filter 60 gefiltert una zu einem !eingang eines Komparators 61 geleitet. Die Pegelerhöhung des Signals, das an einen Eingang des Komparators 61 geleitet wird, kann über eine Diode 62 und einen Regelwiderstand 63,

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der zwischen dem Eingang des Tiefpass-Filters 60 und Kasse liegt, geregelt werden. Diese Regelung erfolgt in ähnlicher V/eise wie die, die oben für die Figur 2 beschrieben ist.

Die Abstandssonde 56 dient zur Messung des Abstands zwischen ihr und einem Nocken 64-, der von dem Ventil-Stellmotor 20 zusammen mit der Klappe 16 des Auspuffgas-Rückführungsventils 14 angetrieben wird. Der Wechselstrom aus der Abstandssonde 56, der die Stellung des Ventils anzeigt, wird durch einen Verstärker 65 zu einem Demodulator 66 geleitet. Eine Gleichspannung wird von einem Potentiometer 67 zu dem Demodulator 66 geleitet, um den Apparat 52 in O-Stellung zu bringen.Der Ausgang des Demodulators 66 wird durch ein Tiefpass-Filter 68 zu einem zweiten Eingang des Komparators 61 geleitet. Die Aufgangsspannung des !Comparators 61, die zwischen zwei Pegeln wechselt, wird durch den Verstärker 69 und einen zweipoligen Schalter geleitet, um den Ventil-Stellmotor 20 anzutreiben. Die Arbeitsweise des Schaltsystems , die hier so ausführlich für Figur 5 beschrieben wurde, ist die gleiche, die oben für die Schaltung nach Figur 2 beschrieben wurde. Es sind jedoch eine Anzahl von zusätzlichen Regelungen hinzugefügt zur weiteren Verringerung von beidem, von Qualm und von Stickoxid-Emmissionen.

Die zusätzlichen Regler, die in Figur 5 zugefügt sind, benötigen ein Signal, das die Drehzahl anzeigt, bei der die Mascnine läuft. Deshalb ist ein Nocken mit Ansatz 75 angeordnet, der von der Maschine angetrieben ist. Ein magnetischer Aufnehmer 76 ist angrenzend zum Nocken 75 angeordnet, um eine Impulsfolge zu erzeugen, deren Frequenz Propotional zur Maschinendrehzahl ist.

Der Umwandler-Ausgang 78 führt zu einem Eingang eines Komparators 79· Ein zweiter Eingang aes Komparators 79 hat eine feste Spannung, die durch das Potentiometer 80 bestimmt ist. Der Komparator 79 wird ein oder zwei Ausgangs-Signale haben, welche davon abhängen, ob der

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Uwandler-Ausgang 78 eine Spannung hat, die oberhalb oder unterhalb der vom Potentiometer 80 bestimmten liegt oder nicht, Das potentiometer ist so justiert, daß der Ausgang des Komparators 79 die Pegel bei einer relativ niedrigen Drehzahl wechselt wie z.B. bei 1200 üpm. Der Ausgang des Komparators 79 ist weiter mit dem Ausgang des Tiefpass-Filters 60 verbunden , der zum Koparator 61 führt. Wenn derAusgang des Komparators 79 wechselt dadurch veranlaßt, daß die i-iaschine unter einen fest vorgegebenen Drehzahl-Wert fällt, wird ein Signal zum Komparator 61 geleitet, um das Ventil 14 in die voll geöffnete Stellung zu bringen, die die Rückführung einer maximalen Menge von Auspuffgas erlaubt ohne Berücksichtigung der Stellung der Brennstoff-Zahnstange. V/enn die festgesetzte Drehzahl überschritten wird , wird der Komparator 79 das Auspuffgas-Rückführ-Ventil 14 nicht in Betrieb setzen. In dieser Art wirken der hagnetaufnehmer 76, der Umwandler 77 und der Komparator 791 um zu sichern, daß das Ventil 14- voll geöffnet ist, wann immer die Maschine Ieerläuft,ohne Rücksicht auf die Last der Maschine.

wie vorher erwähnt ist eine andere wünschenswerte Arbeitsbedingung, das Ventil 14 dauernd in einer voll geschlossenen Stellung zu halten, wann immer die Drehzahl der Maschine ihren normalen Arbeitsbereich übersteigt und entsprechend die Brennstoffeinspritz-Zahnstange in einer minimal oder Niedriglast-Stellung ist. Dies wird durch ein Paar von Komparatoren 81 und 82 und ein "AND-gate" 83 erreicht. Das Ausgangs-Signal 78 des Umwandlers 771 das proportional zur Maschinendrehzahl ist, wird an einen Eingang des Komparators 81 gegeben. Ein Potentiometer 84 gibt eine feste Spannung an den zweiten Eingang des Komparators 81, um die Maschinendrehzahl zu bestimmen, bei der der Ausgang des Komparators 81 wechselt. Das Potentiometer wird hierfür so justiert werden, daß der Ausgang des Komparators 81 seinen Pegel wechselt, wenn die Maschinendrehzahl ihren normalen Betriebsbereich leicht übersteigt, so z.B. bei 300 Upm. Der Ausgang des Komparators 81 ist zu einem Eingang des "AND-gate" 83

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geführt. Der Komparator 82 hat einen Eingang, der mit öem Ausgang des Tiefpass-Filters 60 verbunden ist, dessen Ausgangs-Signal die Stellung der Brennstoffeinspritz-Zahnstange anzeigt, und einen zweiten Eingang, der mit einer festen Gleichspannung versorgt wird, deren Quelle das Potentiometer 85 ist, das zwischen Spannungsquelle und Hasse liegt. Das Potentiometer 85 ist so justiert, daß der Ausgang des Komparators 82 wechselt, wenn die Brennstoffeinspritz-Zahnstange in der Stellung für Minimum-Last ist. Wenn der Ausgang des Komparators 81 anzeigt, daß die Maschinendrehzahl den vorgewählten Maximalwert übersteigt, und der Ausgang des Komparators 82 anzeigt, daß die Brennstoffeinspritz-Zahnstange in einer Stellung für die festgelegte Minimal-Last ist, wird das "AND-gate" 83 ein Signal an den Komparator 61 geben, das veranlaßt, daß der Motor 20 das Ventil in die voll geschlossene otellung bringt. Unter dieser Bedingung wird so eine minimale Auspuffgas-ßückführung stattfinden. Das wird die Maschine hindern, eine Qualmwolke auszustoßen, wenn sie wieder beschleunigt wird.

Der Ausgang 78 des Umwandlers 77 ist auch noch mit einem dritten Komparator 86 verbunden. Ein Potentiometer 87 gibt eine feste Gleichspannung an den zweiten Eingang des Komparators 86. Das Potentiometer 87 ist so justiert, daß der Ausgang des Komparators 86 wechselt, wenn die Maschine einen vorbestimmten mittleren Drehzahlbereich durchläuft, z.B. 1950 Upm. Wenn diese vorgewählte Drehzahl überschritten wird, senkt der Komparator 86 den Strom eines Dämpfungsgliedes 88 und verkleinert das Oscillator-Signal zu der Abstandssonde 56; dabei wird die lineare Kurve, nach der das Ventil 14 betrieben wird, verschoben. Wie vorher besprochen sind zwei typische Kurven für die Betriebsweise des Ventils 14 in der Darstellung von Figur 4 gezeigt. Bei einer Maschinendrehzahl unter 1950 Upm wurde eine maximale Auspuffgas-Rückführung von 35$ für O-Last gefunden, um dabei ein gutes Gleichgewicht zwischen Qualm und Stickoxid-Verunreinigungen zu erhalten. So ist beim Leerlauf oder jeder

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Drehzahl unter 1950 Upm ungefähr 35$ des Auspuffgases zurückgeführt, wenn die Maschine unbelastet läuft. Wenn die Last der Maschine auf 1ΟΟ;ί ihrer Nennlast ansteigt, wird das rückgeführte Auspuffgas gegen 0% oder zu einem anderen vorbestimmten niedrigen Pegel verringert. Bei höheren Maschinendrehzahlen kann zusätzlich Auspuffgas zurückgeführt werden, ohne daß eine nachteilige Qualmentwicklun;-.-an der Maschine auftritt. Deshalb werden oberhalb von 1950 Upm bei O-Last-Betrieb etwa 50$ des Auspuffgases zurückgeführt, und dieser Wert wird linear verringert bis 0% bei 100$ Nennlast. Es wird natürlich abzuschätzen sein daß sowohl diese Prozentzahlen für irgendeine Maschine variieren können als auch die Maschinendrehzahl,nach der die Kurven verschoben werden· Weiterhin können verschiedene Verschiebungen der Rückführungskurve für unterschiedliche Maschinen erforderlich sein, oder die Kurve kann sich nach der Maschinendrehzahl kontinuierlich verändern.

Obwohl dies nicht in den Zeichnungen gezeigt ist, kann man annehmen, daß verschiedene andere Änderungen in dem oben beschriebenen Auspuffgas-Rückfürungssytem gemacht werden können. Z.B. kannes wünschenswert sein, den Motor zu schützen, wenn das Ventil voll geschlossen oder voll geöffnet wird aber es würde den Motor auch schützen falls das Ventil klemmen sollte.

Es soll auch in Betracht gezogen werden, daß das oben beschriebene Gasrückführungs-System auch auf andere Typen von Verbrennungsmaschinen angewendet werden kann, so z.B. auch auf Benzinmotoren mit Funkenzündung. Die Bedingungen, unter denen die Auspuffgas-Rückführung geregelt wird, müssen natürlich für die Erfordernisse jeder einzelnen Maschine modifiziert werden. Z.B. kann ein Benzinmotor mit Funkenzündung eine maximale Rückführung bei mittlerer Drehzahl eher benötigen als bei Minimallast- und Leerlauf-bedingungen.

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Claims

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1. Vorrichtung zur Regelung der Auspuffgas-Emmission einer Verbrennungsmaschine , die eine Luftansaugung und einen Auspuff hat, gekennzeichnet durch ein Ventil (16) zur wahlweisen Rückführung eines Teils des Auspuffgases zum Lufteinlass (12), das sich zwischen einer ersten Stellung, bei der eine vorbestimmte Maximalmenge des Auspuffgases zurückgeführt wird, und einer zweiten Stellung, bei der eine vorbestimmte Minimalmenge des Auspuffgases zurückgeführt wird, bewegt, einen Fühler (18) zur Erzeugung eines von der Belastung der Maschine abhängigen elektrischen Signals, und eine Vorrichtung (2o), die das Ventil (16) entsprechend solchem Signal in eine Stellung zwischen der genannten ersten und zweiten Stellung einstellt, um die Stickoxide des Auspuffgases zu verringern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Ventil einstellende Vorrichtung (2o) ein Glied enthält, das das Ventil (16) in die genannte erste Stellung bringt, wenn die Belastung der Maschine kleiner ist als ein vorbestimmter Wert, und das das Ventil in dem Maße fortschreitend auf die genannte zweite Stellung hin bewegt, wie die Belastung über den vorbestimmten Wert ansteigt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied zur Verstellung des Ventils (16) derart ist, daß es das Ventil in die Stellung bringt, wenn die Maschine eine vorbestimmte Minimal-Drehzahl unterschreitet.

4.Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied auf das elektrische Signal und die Maschinendrehzahl derart agiert, daß es das Ventil (16) in die genannte zweite Stellung bringt, wenn die Belastung der Maschine kleiner als ein vorbestimmter Wert ist die Maschine aber eine vorbestimmte Drehzahl überschreitet.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein auf die Drehzahl der Maschine reagierendes Glied, durch das die in der ersten Ventilstellung Maximalmenge zurückgeführten Auspuffgases veränderbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Schaltung (19) zur Erzeugung eines die Stellung des Ventils (16) anzeigenden elektrischen Signals, wobei die Vorrichtung (2o) zum Verstellen des Ventils einen Motor zum Bewegen des Ventils , eine Schaltung (33) zum Vergleich des maschinenbelastungsanzeigenden Signals (19) und des ventilstellungsanzeigenden Signals (18) sowie eine Schaltung (44) zur Regelung des genannten Stellmotors entsprechend einem solchen Vergleich aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in jenem Ventil-Einstellantrieb (2o) ferner enthalten sind: eine Schaltung (5o), die auf das genannte Maschinenlast-Signal reagiert und ein drittes Signal erzeugt, wenn die Maschinenbelastung geringer ist als ein vorgegebenes Minimum, und eine Schaltung (33)> die den Ventileinstellantrieb veranlaßt, das Ventil (16) entsprechend dem genannten dritten Signal zu der ersten Stellung zu bringen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Schaltung (77), zur Erzeugung eines elektrischen Signals, wenn die Maschine mit einer geringeren als einer vorbestimmten Minimaldrehzahl läuft, und eine Schaltung (79), die den Ventilstellmotor veranlaßt, das Ventil mit entsprehend dem genannten Minimum-Drehzahl -Signal in die erste Stellung zu bringen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine Schaltung (82) zur Erzeugung eines elektris dien Signals,

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wenn die Maschinenlast kleiner als ein vorbestimmtes Minimum ist, eine Schaltung (81) zur Erzeugung eines elektrischen Signals, wenn die Maschinendrehzahl ein vorbestimmtes Maximum überschreitet, und eine Schaltung (83), die bei gleichzeitigem Eintreffen des Minimallast-Signals und des Maximaldrehzahl-Signals veranlaßt, daß der Ventilstellmotor das Ventil (16) zu der zweiten Stellung hin bewegt.

Io. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9> gekennzeichnet durch eine Schaltung (89) zur Erzeugung eines dritten elektrischen Signals, wenn die Maschine eine vorherbestimmte Drehzahl überschreitet, und eine Siialtung (83), die auf das genannte dritte Signal reagiert, um die vorbestimmte maximale Menge von zurückgeführtem Auspuffgas zu erhöhen, wenn das Ventil (16) sich in der ersten Stellung befindet.

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