DE2841311C2 - Einrichtung zur Regelung der Zusammensetzung des in den Brennräumen einer Brennkraftmaschine zur Verbrennung kommenden Betriebsgemisches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Einrichtung ist durch die DE-OS 54 988 bekannt. Dort wird der Umfang der Nachreaktion mit Hilfe einer lonenstromsonde erfaßt und von einer elektronischen Regeleinrichtung ausgewertet. Bei der Erfassung der Nachreaktion mit Hilfe einer lonenstromsonde besteht jedoch die Gefahr, daß die mit einer Spannung beaufschlagte Elektrode verschmutzt und daß durch Nebenschluß das Meßergebnis verfälscht wird. Die Wirksamkeit der Einrichtung hängt ferner stark davon ab, daß sich die Elektroden der lonenstromsonde in Bereichen befindet, in denen noch eine ausreichende Dissoziierung der Gasbestandteile vorliegt. Die Meßeinrichtung ist somit im wesentlichen nur im Bereich heftiger Reaktionen der Gasbestandteile miteinander wirksam, so daß der gesamte Umfang der Nachreaktion nicht in das Meßergebnis eingehen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, mit der der Umfang der Nachreaktion zur Regelung der Zusammensetzung des in den Brennräumen einer Brennkraftmaschine zur Verbrennung kommenden Betriebsgemisches auf eine empfindlicher ansprechende und betriebssichere Weise erfaßt werden kann, wobei die Lage der die Nachreaktion erfassenden Elemente einen verhältnismäßig geringen Einfluß auf die Genauigkeit des Meßergebnisses und dessen Meßumfang haben soll.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Durch die DE-OS 21 44 395 ist zwar eine Einrichtung bekannt, bei der zur Ermittlung eines ordnungsgemäßen Arbeitens einzelner Zylinder einer Brennkraftmaschine jeweils ein Temperaturfühler vorgesehen ist, doch dient diese Einrichtung lediglich dem Zweck, festzustellen, ob ein Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine gegebenenfalls nicht ordnungsgemäß arbeitet und gegebenenfalls die Kraftstoffzufuhr zu unterbinden, damit eine nachgeschaltete Abgasbehandlungseinrichtung nicht überhitzt wird. Für diesen Zweck wird das Ausgangssignal des Temperaturfühlers einer nur qualitativen Auswertung zugeführt, bei der das Unterschreiten einer bestimmten Temperatur festgestellt wird. Dabei hat der Temperaturfühler lediglich Uberwachungsfunktion und kann durch einen sehr einfach aufgebauten und keinen besonderen Anforderungen bezüglich der Meßgenauigkeit unterliegenden Temperaturfühler realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß im weit größeren Maße als beim eingangs genannten Stand der Technik der Umfang der Nachreaktion erfaßbar ist, wobei sich die Genauigkeit der Einhaltung einer bestimmten Lage des oder der temperaturempfindlichen Elemente, deren Ausgangssignal hier nun quantitativ ausgewertet werden, in bezug auf die erfindungsgemäß vorgegebenen Anbringungsstellen bzw. die Kernzone der Nachreaktion stromabwärts der Auslaßventile nicht so wesentlich auf das Meßergebnis auswirkt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Einrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist es. zur Erfassung der Nachreaktionsenergie unmittelbar stromabwärts wenigstens eines Auslaßventils zwei temperaturempfindliche Elemente anzuordnen, von denen eines katalytisch wirksam ist und geeignet ist, die dorthin gelangenden Gasgemischbestandteile zur Reaktion miteinander zu bringen und daß die Differenz des Meßwerts beider temperaturempfindlichen Elemente als Steuergröße für die Regeleinrichtung dient. Damit wird das Meßergebnis unabhängig von der sich ändernden Abgastemperatur. Es wird in vorteilhafter Weise nur die Energie erfaßt, die aus der Reaktion von Gasbestandteilen frei wird, die wegen eines zu großen Sauerstoffanteils oder zu großem Kraftstoffanteils am Betriebsgemisch während der Entflammungsphase in den Brenn-

räumen der Brennkraftmaschine nicht miteinander reagieren konnte.

Die von der erfindungsgemäßen Einrichtung gemäß dem Hauptanspruch und den Unteransprüch^n erfaßte Temperatur ist ein Maß dafür, wieweit sich die Betriebsweise der Brennkraftmaschine der Laufgrenze genähert hat. Vorteilhaft wird man wegen des deutlichen Anstiegs des Umfangs von verschleppten Verbrennungen an der mageren Lauf grenze und der dort günstigen, resultierenden Abgaszusammensetzung im Hinblick auf den Schadstottgehalt für die Regelung des Gemisches den dort zu messenden Temperaturanstieg wählen. Zur Beeinflussung der Betriebsgemischzusammensetzung kann in bekannter Weise entweder der Sauerstoffanteil oder der Luftanteil oder der Anteil an Inertgas z. B. in Form von rückgeführtem Abgas oder der Zündwinkel verändert werden. Einrichtungen dazu sind bekannt

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm, in dem der Temperaturmeßwert über der Luftzahl als Kurve aufgetragen ist in bezug zu den gleichfalls aufgetragenen Abgasbestandteilen und

Fig.2 die schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels mit Regeleinrichtung und Meßstellen.

In F i g. 1 wird anhand eines Diagramms zunächst der bekannte Verlauf von Kennlinien über der Luftzahl Lambda gezeigt, die den Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und den Restsauerstoff (O2) in den Abgasen angeben. Das Minimum der Kohlenwasserstoffkurve im Bereich von Luftzahl λ > 1 zeigt den Bereich des geringsten Kraftstoffverbrauchs einer Brennkraftmaschine an. Ferner wird durch die Kurve T die durch die nachfolgend beschriebene Einrichtung erfaßte Steuergröße dargestellt. Es zeigt sich ein deutlicher Anstieg im Bereich von hohen Luftzahlen.

Das ist darauf zurückzuführen, daß mit zunehmender Abmagerung des einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff/Luftgemisches die Verbrennung mehr und mehr in den Bereichen des Expansionshubs der Kolben der Brennkraftmaschine verschoben wird und schließlich nachfolgend eine immer ausgeprägtere Nachverbrennung im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine auftritt. Dies ist vorwiegend auf den mit steigender Abmagerung auch steigenden Prozentsatz von unverbranntem Sauerstoff in den Abgasen zurückzuführen. Je nach dem Grad der Durchmischung des angesaugten Betriebsgemisches der Brennkraftmaschine tritt pro Arbeitstakt diese verschleppte Verbrennung in mehr oder weniger starkem Maße auf. Die Brennkraftmaschine weist daher mit der Annäherung an die durch die Entflammbarkeit des Gemisches gegebene Laufgrenze einen zunehmenden unruhigen Lauf auf. Der Sollwert, der den Punkt des Wiederanfettens des Betriebsgemisches bestimmt, wird nur so ausgewählt, daß im Hinblick auf die Belastbarkeit der Brennkraftmaschine und dem noch zumutbaren unruhigen Lauf einerseits im Hinblick auf Drehmoment, Kraftstoffersparnis und Abgaszusammensetzung andererseits ein optimaler Betriebspunkt der Brennkraftmaschine erhalten wird.

In Fig. 2 ist vereinfacht ein Teil eines Zylinders 2 einer Brennkraftmaschine wiedergegeben. Im Zylinder 2 bewegt sich in bekannter Weise ein Kolben 3 auf und ab und saugt bei seinem ersten Abwärtshub über Ansaugrohr 4 und ein geöffnetes Einlaßventil 5 das Kraft

stoff/Luft-Gemisch, das z. B. in einem Gemischerzeuger in Form eines Vergasers 1 gebildet wird, in den Brennraum 6. Von diesem Brennraum führt in bekannter Weise eine Abgasleitung 7 zum nicht weiter gezeigten Ab-5 gassystem der Brennkraftmaschine ab. Die Verbindung zwischen Brennraum 6 und Abgasleitung wird durch ein Auslaßventil 8 in bekannter Weise gesteuert. Erfindungsgemäß ist nun im Anschluß an das Auslaßventil 8 in der Abgasleitung 7 des Abgassystems ein temperatur-10 empfindliches Element 9 angeordnet. Die kann entweder ein Thermoelement oder ein temperaturempfindlicher Widerstand sein, der schnellen Temperaturänderungen folgen kann. Solche Temperaturmessungen sind z. B. in der SAE-Paper 7 50 225 beschrieben. Die vom 15 temperaturempfindlichen Element 9 angegebene Meßgröße wird einer Regeleinrichtung 11 zugeleitet, in der der gemessene Temperaturwert mit dem Sollwert verglichen und daraus eine Korrektursteuergröße gebildet wird, die auf ein Stellglied im Gemischerzeuger 1 20 wirkt

Zur Sollwertbildung können Betriebsparameter berücksichtigt werden, die Einfluß auf die Lage der Laufgrenze in verschiedenen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine haben oder die bestimmte ausgewählte Betriebsweisen der Brennkraftmaschine berücksichtigen.

Vorteilhafterweise wird die Temperatur über einen Arbeitstakt eines Kolbens der Brennkraftmaschine integriert, um somit aufeinanderfolgende Werte der schwankenden Antriebsleistung der Brennkraftmaschine und damit die Annäherung an die Laufgrenze der Brennkraftmaschine zu erfassen. Durch weitere Differenzbildung zwischen drei aufeinanderfolgenden Werten kann auch die Dynamik, z. B. ein Beschleunigungs-Vorgang der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden.

Die Ausgestaltung der hier nicht näher zu beschreibenden Regeleinrichtung kann ähnlich sein wie bei den in der eingangs genannten DE-OS 25 54 988 offenharten Regeleinrichtungen.

In F i g. 2 ist gestrichelt ein zweites temperaturempfindliches Element 12, das in der Abgasleitung 7 unmittelbar stromabwärts des Auslaßventils 8 angeordnet ist. gezeigt. Dieses zweite temperaturempfindliche Element bildet zusammen mit dem ersten temperaturempfindlichen Element 9 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite temperaturempfindliche Element ist dabei katalytisch wirksam, so daß an ihm die dorthin gelangenden Gasgemischbestandteile voll zur Reaktion so miteinander kommen und durch das temperaturempfindliche Element die freiwerdende Reaktionsenergie als Temperaturwert erfaßt werden kann. Das nichtkatalytisch wirkende temperaturempfindliche Element 9 dient dazu, das allgemeine Temperaturniveau der Abgase als Temperatursignal zu erfassen. In der Regeleinrichtung wird die Differenz der Meßwerte der beiden temperaturempfindlichen Elemente 9 und 12 gebildet, wobei die dann erzielte Steuergröße ein Maß für die in dem Abgas nach Verlassen der Brennräume noch enthaltene Reaktionsenergie ist. Diese Energie ist gleichfalls ein Maß für die genügende Reaktionsfähigkeit des Betriebsgemisches in den Brennräumen der Brennkraftmaschine und somit ein Maß für die Annäherung des BetrieHspunkts der Brennkraftmaschine an die Laufgrenze. Dabei wird ein Fehler, der auf die in verschiedenen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine unterschiedliche Abgastemperatur zurückzuführen ist, ausgeschaltet.

Statt der Temperaturmessung mit Hilfe von Thermoelementen oder temperaturempfindlichen Widerständen kann die Messung auch durch optische Erfassung der Gasstrahlung mit Hilfe von Fotodioden oder Fototransistoren durchgeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Regelung der Zusammensetzung des in den Brennräumen einer Brennkraftmaschine zur Verbrennung kommenden Betriebsgemisches mit Mitteln zur Bildung einer dem Umfang der Nachreaktion der aus den Brennräumen der Brennkraftmaschine austretenden Gasbestandteile miteinander entsprechenden Steuergröße und mit einer Vergleichseinrichtung innerhalb einer Regeleinrichtung zum Vergleich der Steuergröße mit einem Sollwert, wobei in der Regeleinrichtung eine Korrektursteuergröße zur Steuerung einer Stelleinrichtung für die Verstellung der Zusammensetzung des Betriebsgemisches gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Nachreaktion zwei den Gasen unmittelbar stromabwärts wenigstens eines Auslaßventils (8) der Brennkraftmaschine ausgesetzte, mit der Regeleinrichtung verbundene temperaturempfindliche Elemente (9, 12) vorgesehen sind, von denen eines katalytisch wirksam ist und geeignet ist, die dort hin gelagenden Gasgemischbestandteile zur Reaktion miteinander zu bringen, daß ferner die von den temperaturempfindlichen Elementen abgegebenen Steuerspannungen periodisch insbesondere über ein Arbeitsspiel eines Kolbens der Brennkraftmaschine integriert werden und in der Regeleinrichtung die Differenz der integrierten. Steuerspannungen beider temperaturempfindlichen Elemente zur Bildung der Korrektursteuergröße mit einem Sollwert verglichen werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als temperaturempfindliches Element ein Thermoelement dient.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als temperaturempfindliches Element ein schnell auf Temperaturänderungen ansprechender Widerstand dient.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Temperatur über Gasstrahlung erfassendes Element, wie z. B. eine Fotodiode oder ein Fototransistor, als temperaturempfindliches Element dienen.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Regeleinrichtung die Schwankungen der aufeinanderfolgenden Werte der integrierten Steuerspannungen durch ein- oder mehrfache Differenzbildung erfaßt und zur Bildung der Korrektursteuergröße mit dem Sollwert in der Regeleinrichtung verglichen werden.