DE2803242B2

DE2803242B2 - Abgas-Rückführungssystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2803242B2
Application number: DE2803242A
Authority: DE
Inventors: Tokio Nishio Kohama; Hidetaka Susono Nohira; Hideki Aichi Obayashi; Tadashi Nishio Ozaki
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1977-01-26
Filing date: 1978-01-25
Publication date: 1981-05-07
Also published as: JPS5393222A; JPS623309B2; DE2803242A1; DE2803242C3; US4196706A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgas-Rückführungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist aus der US-PS 37 99 131 ein Abgas-Rückführungssystem oben erwähnter Gattung bekannt, mit dem ein von der Last des Motors unabhängiges und konstantes Abgas-Rückführungsverhältnis erzeugt wird. Dies bedeutet, daß bei Anheben des Massendurchsatzes um einen gewissen Prozentsatz, das heißt bei zunehmender Belastung des Motors, die Menge des rückgeführten Abgases um den gleichen Prozentsatz erhöht wird. Diese Abgas-Rückführungscharakteristik ist jedoch nicht erwünscht, da bei niedriger Last eine größere Menge von Restabgasen aufgrund unzulänglicher Spülung im Zylinder verbleiben als bei hoher Last, wenn man diese Restabgase als »innere« Abgas-Rückführungsmenge und die tatsächlich in die Ansaugleitung wieder zurückgeführte Abgasmenge als »Äußerliche« Abgas-Rückführungsmenge bezeichnet, so ergibt sich beim Stand der Technik der folgende Zusammenhang: Das Verhältnis der Menge des »äußerlich« rückgeführ-

ten Gases bezogen auf die zugeführte Luftmenge ist über der Last des Motors stets konstant, die »innere« Abgas-Rückführungsmenge variiert jedoch mit der Motorbelastung, so daß insgesamt gesehen mit diesem Abgas-Rückführungssystem ein von der Last des Motors abhängiges Gesamt-Abgas-Rückführungsverhältnis realisiert wird, das zu unerwünschten Effekten führt

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Abgas-Rückführungssystem gemäß oben erwähnter Gattung so weiterzubilden, daß das Gesamt-Abgas-Rückführungsverhältnis unabhängig von der Belastung des Motors konstant gehalten wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erweiterung des bekannten Abgas-Rückführungssystems durch ein Unterdruck-Steuerventil und durch die Modifizierung des Drucks in der von der Atmosphäre beaufschlagten Membrankammer des Modulators gelingt es, eine lastabhängige Regelung des Steuerventils zu verwirklichen, so daß das »innere« Abgas-Rückführungsverhältnis Berücksichtigung finden kann. Die Ausgestaltung der Atmosphären-Referenzkammer des Modulators und deren Koppelungen mit dem Unterdruck-Steuerventil bewirkt, daß die »äußerlich« rückgeführte Abgasmenge nicht mehr proportional, sondern überproportional zur angesaugten Luftmenge ansteigt.

Zu einer besonders einfachen Ausführungsform des Abgas-Rückführungssystems gelangt man mit den Merkmalen des Unteranspruchs 2. Die zur Ansteuerung des Ventils notwendige Energie wird von vorhandenen Energie-Speichern abgezweigt und der Aufbau des Ventils ist so einfach, daß ein Fehlbetrieb ausgeschlossen werden kann.

Nachstehend wird anhand schematischer Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das ideale gesamte Abgas-Rückführungsverhältnis und das ideale Verhältnis zwischen der »äußeren« und der »inneren« Abgas-Rückführung,

F i g. 2 das ideale »äußere« Abgas-Rückführungsverhältnis,

•f^r> F i g. 3 in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, und

Fig.4 die zur Erklärung der Betriebsweise des Abgas-Rückführungssystems nach F i g. 3 verwendete Drucksignal-Unterdruck-Kennlinie. -

V) In den F i g. 1 und 2 bezieht sich die Abkürzung EGR auf Abgas-Rückführung (Exhaust Gas Recirculation).

Zur wirksamen Reduzierung von NOx in Abgasen einer Brennkraftmaschine in ihrem ganzen Lastbereich, ist es ideal, das Verhältnis des Gesamtvolumens der rückgeführten Abgase (extern rückgeführte Abgase + intern rückgeführte Abgase) zu dem Volumen der Ansaugluft unabhängig von der Last konstant zu halten (als Maß für diese kann der Unterdruck in dem Einlaßkanal betrachtet werden), wie in F i g. 1 gezeigt ist. Das Verhältnis des Volumens der innen rückgeführten Abgase (welches als »inneres Abgas-Rückführungsverhältnis« bezeichnet werden soll) wird jedoch bei geringer Last größer, aber bei einer hohen Last geringer, so daß das Verhältnis des Volumens der außen rückgeführten Abgase (welches als »äußeres Abgas-Rückführungsverhältnis« bezeichnet werden soll) so gesteuert werden muß, daß es bei einer geringen Last klein und bei einer hohen Last groß wird, wie in F i g. 2

gezeigt ist

Gemäß Fig.3 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasleitung 2 und einem Einlaßkanal bzw. einer Ansaugleitung 3 versehen, die eine Drosselklappe 4 und einen Vergaser 5 hat und mit einem an dem stromauf i liegenden Ende desselben vorhandenen Luftfilter 6 verbunden ist

Ein Abgas-Rückführungssystem, das allgemein durch das Bezugszeichen 20 bezeichnet ist, weist eine Abgas-Rückführungsleitung 21, die einen Abgas-Rückführungsweg bildet, und ein Abgasrückführungs-Steuerventil 8 auf. Ein Ende der Abgas-Rückführungsleitung 21 ist mit der Abgasleitung 2 verbunden, während das andere Ende mit dem Einlaßkana! 3 an einer Stelle stromab der Drosselklappe 4 verbunden ist Innerhalb der Abgas-Rückführungsleitung 21 zwischen dem Abgasrückführungs-Steuerventil 8 und dem Abgasrohr 2 sind eine Verengung 22 und ein Ventilsitz 23 angeordnet, die eine Druckkammer 24 bilden. Das Abgas-Rückführungs-Steuerventil 8 hat einen Ventilkörper 83, der mit dem Ventilsitz 23 so zusammenwirkt, daß eine veränderliche Öffnung geschaffen wird.

Das Abgas-Rückführungssteuerventil 8 hat ein Gehäuse 86 und eine Steuermembran 82, die das Gehäuse 86 in eine erste und eine zweite Druckkammer 2> 85 bzw. 87 aufteilt Die erste oder obere Druckkammer 85 empfängt ein Drucksignal, das durch einen Modulator 7 gesteuert wird und durch eine Unter Jruckleitung 31 übertragen wird. Durch eine Lufteinlaßöffnung 88 wird Umgebungsluft in die zweite oder untere M Druckkammer 87 geführt. Der Ventilkörper 83 ist rr.it der Steuermembran 82 über einen Stößel 81 verbunden. Eine Feder 84, die sich innerhalb der ersten Druckkammer 85 befindet, spannt normalerweise den Ventilkörper 83 gegen den Ventilsitz 23 vor. J5

Der Modulator 7 hat ein Gehäuse 76 und eine Membran 71, die das Gehäuse 76 in eine Druckkammer 74 und eine Atmosphären-Referenzkammer 75 aufteilt Die Druckkammer 74 des Modulators 7 ist durch ein Druckrohr 32 mit der Druckkammer 24 verbunden, w Innerhalb der Atm.-Referenzkammer 75 befindet sich eine Feder 72, die normalerweise die Membran 71 nach unten vorspannt. Die Atm.-Referenzkammer 75 ist mit der umgebenden Atmosphäre durch eine Einlaßlöffnung 77 verbunden, die einen Drosseleinsatz 78 hat. 4> Weiterhin ist die Atm.-Referenzkammer 75 durch eine Modulator-Druckleitung 31a mit der Unterdruckleitung 31 verbunden, so daß der Druck in der Atm.-Referenzkammer 75 des Modulators 7 in die Unterdruckleitung 31 geleitet wird, wodurch das Drucksignal gesteuert >n wird, das zu der ersten Druckkammer 85 des Abgas-Rückführungssteuerventils 8 übertragen werden soll. Innerhalb der Unterdruckleitung 31 ist weiterhin eine Drosselstelle 33 angeordnet, die sich stromauf der Verbindung mit der Modulator-Druckleitung 31a befindet. Wenn die Membran 71 ausgelenkt wird, schließt oder öffnet ein darauf montierter Ventilkörper 73 das untere Ende der Modulator-Druckleitung 31a.

Ein Unterdrucksteuerventil 9 hat ein Gehäuse 98 und eine Membran 91, die das Gehäuse 98 in eine bo Unterdruckkammer 92 und eine Kammer 94 unterteilt. Die Unterdruckkammer 92 ist durch die Unterdruckleitung 31 mit dem Einlaßkanal 3 verbunden, so daß der Unterdruck in die Unterdruckkammer 92 weitergeleitet wird. Eine Feder 93 ist innerhalb der Unterdruckkam- o-> mer 92 so angebracht, daß die Membran 91 normalerweise aufwärts vorgespannt ist. Ein Ventilkörper 95 ist mit der Membran 91 über eine Stange % verbunden. Die Kammer 94 ist nicht nur mit der umgebenden Atmosphäre durch eine Einlaßöffnung 97, sondern auch mit der Unterdruckleitung 31 durch einen Steuerabschnitt 31 b verbunden, der davon abzweigt Innerhalb der Unterdruckleitung 31 ist zwischen der Verbindungsstelle mit dem Steuerabschnitt 310 und der Unterdruckkammer 92 eine Drosselstelle 34 angeordnet Wenn die Membran 91 ausgelenkt wird, bewegt sich der Ventilkörper 95 in Richtung auf oder weg von der unteren Endöffnung des Steuerabschnitts Z\b, wodurch der Öffnungsgrad und daher das Volumen der Umgebungsluft gesteuert wird, die der Unterdruckleitung 31 zugeführt werden soll. Somit kann das Unterdrucksignal v/ie in Fig.4 gezeigt, gesteuert werden, das durch die Unterdruckleitung 31 zum Modulator 7 und zum Abgas-Rückführungs-Steuerventil 8 übertragen werden soll.

Nachstehend wird die Arbeitsweise beschrieben. Das Volumen der dem Einlaßkanal 3 zugeführten Luft ist abhängig von dem Öffnungsgrad der Drosselklappe 4. Die Ansaugluft wird mit dem von dem Vergaser 5 ausgestoßenen Kraftstoff gemischt, und das Luft-Kraftstoffgemisch wird den Brennkammern in der Maschine

1 zugeführt. Die Abgase werden durch die Abgasleitung

2 in die umgebende Atmosphäre abgegeben.

Angenommen, der Drosseleinsatz 78 ist nicht innerhalb der Einlaßöffnung 77 der Atmosphären-Referenzkammer 75 des Modulators 7 angeordnet, so ist der Druck innerhalb der Atmosphären-Referenzkammer 75 immer gleich dem Atmosphärendruck. Dann wird die Membran 82 in dem Abgas-Rückführungssteuerventil 8 durch die Kraft der Vorspannfeder 84 nach unten ausgelenkt, so daß der Ventilkörper 83, der mit der Membran 82 über den Stößel 81 verbunden ist, gegen den Ventilsitz 23 gepreßt wird, wodurch der Rückführungsweg 21 geschlossen wird. Als Ergebnis ist der Druck in der Druckkammer 24 gleich dem Abgasdruck PfX (der von dem Volumen der Ansaugluft abhängig ist, da das Volumen der Ansaugluft proportional zum Volumen der Abgase ist). Der Abgasdruck Pex wird durch das Druckrohr 32 zur Druckkammer 74 im Modulator 7 übertragen. Der Abgasdruck Pex überwindet die Kraft der Feder 72 des Modulators 7, so daß die Membran 71 nach oben ausgelenkt wird und folglich der Öffnungsgrad des unteren Endes der Modulator-Druckleitung 31a verringert wird. Dann wird das Volumen der Umgebungsluft, die durch die Modulator-Druckleitung 31a in die Unterdruckleitung 31 geführt werden soll, verringert, so daß die Größe des Drucksignals, das durch die Unterdruck-Leitung 31 in die erste oder obere Druckkammer 85 des Abgas-Rückführungssteuerventils 8 geleitet wird, allmählich sich dem Druck nähert, der durch das Unterdrucksteuerventil 9 gesteuert wird.

Als Ergebnis wird die Membran 82 des Abgas-Rückführungssteuerventils 8 nach oben gegen die Vorspannfeder 84 ausgelenkt, so daß der Ventilkörper 83, der mit der Membran 82 über den Stößel 81 verbunden ist, aufwärts von dem Ventilsitz 23 wegbewegt wird, und folglich der Öffnungsgrad des Ventilsitzes 23 vergrößert wird. Als eine Folge hiervon werden die Abgase in der Druckkammer 24 in den Einlaßkanal 3 rückgeführt. Wenn die Abgase, die rückgeführt werden sollen, die Verengung 22 durchströmen, ergibt sich ein Druckabfall, so daß der Druck in der Druckkammer 24 niedriger als der Abgasdruck Pex ist.

Wenn der Druck innerhalb der Druckkammer 24 niedriger ist als die Kraft der Vorspannfeder 72 in dem Modulator 7, wird die Membran 71 nach unten

ausgelenkt, so daß das Volumen der Umgebungsluft vergrößert wird, die durch die Modulator-Druckleitung 31a in die Unterdruckleitung 31 geführt werden soll. Als Ergebnis fällt die Größe des Unterdrücke des Drucksignals, das durch die Unterdruckleitung 31 zu der ersten oder oberen Kammer 85 des Abgas-Rückführungssteuerventils 8 übertragen wird, so daß die Membran 82 nach unten ausgelenkt wird und folglich der Ventilkörper 83 nach unten nahe zum Ventilsitz 23 bewegt wird, wodurch der Öffnungsgrad desselben verringert wird. Dann wird die Durchflußrate der Abgase, die rückgeführt werden sollen, verringert, so daß der Druckabfall über der Verengung 22 verringert wird und folglich der Druck in der Druckkammer 24 vergrößert wird. Somit wird der Druck innerhalb der Druckkammer 24 auf einen vorbestimmten Wert entsprechend der Kraft der Vorspanrifeder 72 des Modulators 7 gesteuert.

Es ist bekannt, daß dann, wenn der Druck innerhalb der vierten oder oberen Druckkammer 75 des Modulators 7 konstant gehalten wird und wenn kein Unterdrucksteuerventil 9 vorgesehen ist, so daß die Unterdruckleitung 31 direkt mit dem Einlaßkanal 3 in Verbindung steht, der Druck in der Druckkammer 24 konstant gehalten werden kann, so daß das Volumen der rückgeführten Abgase proportional zum Volumen der Ansaugluft ist. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel stehen jedoch der Einlaßkanal 3 und die Unterdruckleitung 31 über das Unterdrucksteuervemil 9 miteinander in Verbindung, so daß die Größe des in der Atmosphären-Referenzkammer 75 des Modulators 7 geführten Unterdrucksignals proportional zur Last sein kann. Weiterhin ist der Drosseleinsatz 78 in der Einlaßöffnung 77 angeordnet so daß das zur Last proportionale Unterdrucksignal innerhalb der Aimosphären-Referenzkammer 75 aufrechterhalten werden kann. Somit können der Druck in der Druckkammer 24 und folglich auch das Volumen der Abgase, die rückgeführt werden sollen, in Abhängigkeit von der Last gesteuert werden, was nachstehend näher beschrieben wird.

Der Unterdruck im Einlaßkanal 3 wird durch die Unterdruckleitung 31 in die Unterdruckkammer 92 des Unterdrucksteuerventils 9 geleitet, so daß die Membran 91 gegen die Feder 93 nach unten bewegt wird. Dann wird der Ventilkörper 95, der mit der Membran 91 über die Stange 96 verbunden ist, von dem unteren Ende des Steuerabschnitts 316 weg nach unten bewegt. Das heißt der Öffnungsgrad des unteren Endes des Steuerabschnitts 31/j wird in Abhängigkeit von dem Unterdruck in dem Einlaßkanal 3 gesteuert Je größer der Unterdruck wird, um so größer wird der Öffnungsgrad und umgekehrt Da das Volumen der Luft die in die Unterdruckleitung 31 geführt werden soll, vom Öffnungsgrad des unteren Endes des Steuerabschnitts 316 abhängig ist erzeugt das Unterdrucksteuerventil 9 das in Fig.4 gezeigte Unterdrucksignal; das Unterdrucksignal wird über die Drosselstelle 33 in der Unterdruckleitung 31 in den Modulator 7 und zum Abgas-Rückführungssteuerventil 8 übertragen.

Die Größe des Unterdrucksignals, das durch das Unterdrucksteuerventil 9 gesteuert wird, ist proportional zur Last Das heißt wenn der Ansaugunterdruck im Einlaßkanal 3 hoch ist und somit die Last gering ist hat das Unterdrucksignal einen kleinen Wert Andererseits, wenn der Ansaugunterdruck niedrig ist das heißt wenn die Last groß ist hat das Unterdrucksignal einen großen Wert

Da der Drosseleinsatz 78 in der Einlaßöffnung 77 des Modulators 7 angeordnet ist, ist das Volumen der in die Atmosphären-Referenzkammer 75 eingeführten Umgebungsluft gering, so daß das vom Unterdrucksteuerventil 9 dorthin geführte Unterdrucksignal dort aufrechterhalten und proportional zur Größe des Unterdrucksignals oder der Last gehalten werden kann.

Diese Betriebsweise des Abgas-Rückführungssystems wird nachstehend theoretisch beschrieben. Die Menge QtcR der rückgeführten Abgase wird durch

= C- AVP_1x-AP

ausgedrückt, wobei C eine Durchflußkonstante an der Drosselstelle 22,

A die Fläche der Verengung 22, Pex den Abgasdruck und

Δ P den Druck in der Druckkammer 24

darstellen.

Der Druck AP ist abhängig von der Last IV der Vorspannfeder 72, der den Druck aufnehmenden Fläche A\ der Membran 71 und dem Druck P_c in der Atmosphären-Referenzkammer 75 des Modulators. Damit ergibt sich die Beziehung:

Λ ι x AP= W + Ai x P₁..

und es folgt:

Dies ergibt in Gleichung (I) eingesetzt die folgende Beziehung:

Bei herkömmlichen Abgas-Rückführungssystemen wird der Druck P_e immer gleich dem Atmosphärendruck gehalten, so daß die Menge der rückgeführten Gase proportional zum Volumen der Ansaugluft ist Das heißt, das »äußere« Abgas-Rückführungsverhältnis ist konstant. Erfindungsgemäß wird jedoch der Druck P_c entsprechend der Last gesteuert, so daß das »äußere« Abgas-Rückführungsverhältnis bei einer geringen Last

4> klein und bei einer großen Last groß werden kann. Somit kann das äußere Abgas-Rückführungsverhältnis in idealer Weise, wie in Fig.2 gezeigt ist gesteuert werden.

Das oben beschriebene Abgas-Rückführungssystem verwendet nicht nur den dem Volumen der Ansaugluft proportionalen Abgasdruck, so daß die Abgasmenge, die rückgeführt werden soll, proportional zu dem Volumen der Ansaugluft gemacht wird, sondern es steuert auch das Volumen der Abgase, die rückgeführt werden sollen, in Abhängigkeit von der Last derart, daß das Abgas-Rückführungsverhältnis in Abhängigkeit von der vergrößerten oder verkleinerten Last vergrößert oder verkleinert wird. Daher kann das äußere Abgas-Rückführungsverhältnis in einer idealen Weise relativ zu dem inneren Abgas-Rückführungsverhältnis gesteuert werden, so daß eine bemerkenswerte Reduzierung in der NOx-Emission erzielt werden kann.

Weiterhin kann der Unterdruck in der Druckkammer

des Modulators genau proportional zu dem Unterdruck

b5 gemacht werden, der durch das Unterdrucksteuerventil gesteuert wird, so daß die Steuerung der Rückführung in Abhängigkeit von der Last mit größerer Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abgas-Rückführungssystem mit einem in eine Abgas-Rückführungsleitung integrierten membranbetätigten Abgas-Rückführungssteuerventil, dem eine Druckkammer vorgeschaltet ist, deren Druck mittels eines Ventilstößels in Abhängigkeit von der Druckbeaufschlagung ihrer Steuermembran steuerbar ist, die auf ihrer einen Seite mit atmosphärischem Referenzdruck und auf ihrer anderen Seite mit einem Ansteuer-Mischdruck beaufschlagt ist, dessen Größe durch Überlagerung eines Unterdnicksignals einer, von der Ansaugleitung stromab der Drosselklappe abzweigenden Unterdruckleitung und eines Drucksignals eines Modulators gesteuert wird, dessen Membran eine vom Druck in der Druckkammer beaufschlagte Steuerkammer und eine AtmospWären-Referenzkammer voneinander trennt und einen Ventilkörper trägt, durch den die Kopplung eines atmosphärischen Drucksignals mit dem Modulator-Drucksignal veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphären-Referenzkammer (75) einen Drosseleinsatz (78) besitzt und daß in die Unterdruckleitung (31) stromauf der Überlagerungsstelle ein Unterdruck-Steuerventil (9) integriert ist, durch das der Ansteuer-Mischdruck des Abgas-Rückführungsteuerventils (8) überproportional zur Last des Motors veränderbar ist.

2. Abgas-Rückführungssystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterdruck-Steuerventil (9) ein membranbetätigtes Mischventil ist, dessen federvorgespannte Membran (91) eine Unterdruckkammer (92) und eine mit Atmosphärendruck beaufschlagte Kammer (94) voneinander trennt und einen Ventilkörper (95) trägt, durch den ein zwischen Drosselstellen (33, 34) ausgebildeter und mit der Ansaugleitung (3) in ständiger, das Unterdruck-Steuerventil (9) überbrückender Verbindung stehender Steuerabschnitt (31 b) der Unterdruckleitung (31) in Abhängigkeit von der Last des Motors mit atmosphärischem Druck beaufschlagbar ist.