DE2849554C2 - Einrichtung zum Festlegen der Zusammensetzung des Gas-Inhalts von Zylindern bei Brennkraftmaschinen - Google Patents
Einrichtung zum Festlegen der Zusammensetzung des Gas-Inhalts von Zylindern bei BrennkraftmaschinenInfo
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Description
- die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Festlegen der Zusammensetzung des Gas-Inhalts von Zylindern bei Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Bekannt ist ein System bei dem das auf die angesaugte Frischluft bezogene, für Normalbedingungen optimale Luftverhältnis Lambda in Abhängigkeit von Last und Drehzahl durch gesteuerte oder geregelte Verstellung eines Abgasrückführventils eingestellt und mit Hilfe von Luftmengenmessung eingeregelt wird (DE-OS 24 09 774) . Dabei mischt sich jedoch je nach Druck und Temperatur von Frischluft und Abgas, sowie abhängig vom Zustand des Motors und eines eventuell vorhandenen Laders eine nicht eindeutig definierbare Abgasmenge dem angesaugten Frischluftstrom zu. Große Abweichungen vom Normalzustand ergeben sich vor allem bei extremen Außentemperaturen und aufgrund höhenabhängiger unterschiedlicher Außendrücke. Bekannt ist auch, daß die Schadstoffbildung bei der Verbrennung im Zylinder wesentlich von der Flammgeschwindigkeit und der Verbrennungsspitzentemperatur bestimmt wird. Diese Größen hängen unter anderm wiederum von der Zylindergesamtfüllung ab. Beim bekannten System konnten diese Größen nicht in ausreichendem Maße berücksichtigt und/oder gesteuert werden.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zylindergesamtfüllung oder geeignete Ersatzgrößen im Betrieb zu ermitteln und abhängig davon ein gegenüber Normalbedingungen geändertes, bezüglich der gesamten Schadstoffemission optimales Luftverhältnis Lambda einzustellen und damit auch die Abgasrückführrate veränderten Betriebsbedingungen anzupassen.
- Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Die erfindungsgemäße Einrichtung nach dem Patentanspruch 1 hat gegenüber den bekannten Einrichtungen den Vorteil, daß in weiten Grenzen trotz sich ändernder Umweltbedingungen die bezüglich der Schadstoffe im Abgas, z. B. bestimmt durch einen gesetzlich vorgeschriebenen Test, optimale Abgasrückführrate eingestellt werden kann.
- Durch die in den Unteransprüchen 2 bis 8 aufgeführten Maßnahmen sind Ausgestaltungen der im Patentanspruch 1 angegebenen Einrichtung insofern möglich, als besonders einfache Methoden zur Bestimmung der Zylindergesamtfüllung angegeben sind. Des weiteren sind diejenigen Eingriffsstellen im Steuersystem einer Dieselbrennkraftmaschine angegeben, in denen auf besonders einfache Weise das gewünschte Frischluft-zu-Abgas-Verhältnis eingestellt werden kann.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
- Fig. 1 ein grobes Übersichtsschaubild einer Dieselbrennkraftmaschine mit ihren Meßstellen und Eingriffsmöglichkeiten.
- Fig. 2 zeigt im Blockschaltbild das Steuergerät für die Kraftstoff-, Frischluft- und Abgaszumessung bei einer Brennkraftmaschine und die
- Fig. 3 bis 8 verdeutlichen Erfassungsmöglichkeiten der Zylindergesamtfüllung.
- Fig. 1 zeigt ein grobes Übersichtsschaubild einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung zusammen mit der wesentlichsten Beschaltung. 10 kennzeichnet die Brennkraftmaschine selbst, der ein Luftansaugrohr 11, eine Abgasleitung 12 sowie eine Einspritzpumpe 13 für die Kraftstoffversorgung der einzelnen nicht dargestellten Einspritzventile zugeordnet ist. In der Luftansaugleitung befindet sich ein Abgasrückführstellwerk (ARF-Stellwerk) 14, das aus einem Ventil (ähnlich einem Motorventil) besteht, das von einem vorzugsweise elektromagnetischen Stellglied kontinuierlich verstellt werden kann und damit einen mehr oder weniger großen Querschnitt von der Abgasrückführleitung zur Luftansaugleitung freigibt. Falls die motorbedingten Druckverhältnisse es nicht erlauben, nur durch Öffnung des Ventils genügend Abgas zurückzuführen, kann an das Ventil eine stromaufwärts in der Luftansaugleitung liegende Drosselklappe angelenkt werden, die mit Ventilöffnung gleichzeitig den Frischluftstrom androsselt, so daß dadurch die Rückführung der gewünschten Abgasmenge ermöglicht wird. Stromaufwärts des ARF-Stellwerks 14 findet sich ein Luftmengenmesser 17 und davor angeordnet ein Luftfilter 18. Stromabwärts des ARF-Stellwerks 14 ist - nach einem eventuell vorhandenen Lader 77 - wenigstens ein Geber 16 für den Grad der Zylindergesamtfüllung vorgesehen.
- Ein Steuergerät ist mit 20 bezeichnet. Eingangsseitig ist dieses Steuergerät 20 mit einem Fahrpedal 21 gekoppelt, welches ein Kraftstoff-Wunschsignal QK wunsch abgibt, außerdem mit dem Luftmengenmesser 17, einem Kraftstoffmengenmesser 22 sowie über Eingänge 23 und 24 mit Gebern für Drehzahl, Temperatur usw. Ferner erhält das Steuergerät 20 die Meßwerte vom Zylindergesamtfüllungsmesser 16. Ausgangsseitig steht das Steuergerät 20 mit einer Kraftstoffpumpe 25 in Verbindung, darüber hinaus mit dem Abgasrückführstellwerk 14.
- Bei den Verbrennungsvorgängen in den Zylindern einer Brennkraftmaschine entstehen umso mehr schädliche NO x - Bestandteile, je höher die Verbrennungstemperatur liegt und je mehr Sauerstoff sich im Zylinder befindet. Eine Verringerung des Sauerstoffs im Teillastgebiet nur durch Androsseln der Frischluft würde aber wegen verringerter Zylinderfüllung eine höhere Verbrennungsspitzentemperatur ergeben, da bei gleichem Energieumsatz die Wärmekapazität der Zylinderfüllung abfiele. Der weggedrosselte Teil der Frischluft muß also durch wesentlich sauerstoffärmeres Abgas ersetzt werden, um die Wärmekapazität der Zylinderfüllung möglichst aufrechtzuerhalten. Damit ist eine Verringerung des Sauerstoffanteils auf den bezüglich HC und Ruß minimal erforderlichen Wert möglich, ohne daß die Verbrennungstemperatur entscheidend ansteigt. Nur so ist eine merkliche NO x -Reduktion bei nur geringfügigem HC- und Rauchanstieg zu erreichen.
- Aufgrund verminderter Ausgangsluftdichte bei hohen Ansaugtemperaturen und/oder geringem Luftdruck in der Höhe wird sowohl beim Saugmotor als auch bei einem Motor mit Lader die auch im Teillastgebiet (ARF-Gebiet) aus Emissionsgründen gewünschte große Zylinderfüllung nicht mehr erreicht, wie sie unter Normalbedingungen vorliegt. Obwohl durch verringerte Abgasrückführung bis zu einer bestimmten Grenze das auf die Frischluft bezogene Luftverhältnis konstant gehalten werden kann, werden bei gleichem Energieumsatz durch die verringerte Zylindergesamtfüllung höhere Verbrennungsspitzentemperaturen erreicht, die einen Anstieg der schädlichen NO x -Anteile und einen Abfall der HC-Anteile im Abgas zur Folge haben.
- Die ursprüngliche Schadstoffverteilung im Abgas kann näherungsweise wieder dadurch erreicht werden, daß das auf die Frischluft bezogene Luftverhältnis λ abhängig von der meßtechnisch zu erfassenden Zylindergesamtfüllung verändert wird.
- Eine andere Möglichkeit, die ursprüngliche Aufladung auch bei abgesunkener Ansaugluftdichte aufrechtzuerhalten, besteht darin, einen - dann notwendigerweise für Normalbedingungen überdimensionierten - Lader so zu steuern, daß die Zylindergesamtfüllung konstant bleibt (Ladersteuerung). Dafür müßte die Zylindergesamtfüllung ebenso, zumindest indirekt, meßtechnisch erfaßt werden.
- Einen Schluß auf den Grad der Zylindergesamtfüllung läßt z. B. der im Saugrohr vor den Einlaßventilen herrschenden Zustand zu. In Fig. 1 ist dafür eine Meßstelle 16 vorgesehen, an der ein Druckmesser den Druck und entsprechend ein Temperaturmesser die Temperatur des angesaugten Gasgemisches erfaßt, so daß dessen Dichte und mit dem bekannten Hubvolumen die Zylindergesamtfüllung ermittelt werden kann.
- Abhängig von diesem indirekten Signal bezüglich der Zylindergesamtfüllung wird dann mittels des Steuergerätes 20 über das ARF-Stellwerk 14 ein entsprechend veränderter Luftmengensollwert eingestellt, um das Abgas-Frischluftverhältnis von der jeweiligen Zylindergesamtfüllung abhängig zu machen. Diese Anpassung des Mischungsverhältnisses von Frischluft zu Abgas dient einem bezüglich der Schadstoffe im Abgas optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine, wobei auch eine bestimmte Obergrenze der NO x - Emission eingehalten werden kann.
- Eine mögliche Realisierung des Steuergerätes 20 ist im Blockschaltbild in Fig. 2 dargestellt. Dabei sind mit dem Gegenstand von Fig. 1 übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
- Das Fahrpedal 21 wirkt auf einen Fahrpedalstellungsgeber 30 ein, an dessen Ausgang 31 ein Kraftstoffwunschsignal QK wunsch anliegt. Dieses Kraftstoffwunschsignal wird einem ersten Eingang 32 einer Kleinstwertauswahlstufe 33 mit einem weiteren Eingang 34 zugeführt, deren Ausgang 35 wiederum mit einem Mengenkennfeld 36 gekoppelt ist. Dieses Mengenkennfeld 36 ordnet einem bestimmten Signalwert vom Ausgang der Kleinstwertauswahlstufe 33 einen bestimmten Kraftstoffmengenwert zu, der anschließend über einen Vergleichspunkt 37 auf einen Mengenregler 38 mit einem Stellwerk 39 geschaltet wird. Der Ausgang dieses Stellwerks 39 ist zur Rückmeldung des mittel- oder unmittelbaren Mengensignals wiederum mit der Vergleichsstelle 37 verknüpft.
- Während die Einheiten bzw. Stufen 33 bis 39 zur " Kraftstoffseite" des Reglers gehören, bilden weitere Stufen die entsprechende "Luftseite". Dabei ist der Ausgang 31 des Fahrpedalstellungsgebers 30 mit einem mehrdimensionalen Kennfeld 40 verknüpft, wobei dieses Kennfeld drei Eingänge 41, 42 und 43 sowie einen Ausgang 44 besitzt. Am Eingang 41 liegt ein Drehzahlsignal vom Eingang 23 des Reglers an, am Eingang 42 das Kraftstoffwunschsignal vom Fahrpedalstellungsgeber 30 und am Eingang 43 das Ausgangssignal einer Erfassungsstufe 45 für die Zylindergesamtfüllung. Eingangsgrößen dieser Erfassungsstufe 45 ist ein Drucksignal sowie ein Temperatursignal vom Meßwertgeber 16 im Luftansaugrohr 11 der Brennkraftmaschine 10. Am Ausgang 44 des Kennfeldes 40 tritt ein Luftmengensollwert QLs auf, der an eine Vergleichsstelle 47 weitergeleitet wird. Es folgt ein Luftmengenregler 48 mit einem nachgeschalteten Stellkennfeld 49 für die Position des ARF-Stellwerks 14 des Gegenstandes von Fig. 1. Nachgeschaltet ist diesem Kennfeld 49 wiederum ein kompletter Regelkreis für die Stellung dieses Stellwerks 14 mit einem Regler 50 und der Stellungsrückmeldung 51. Die ARF-Stellwerksstellung bestimmt den Frischluftstrom im Ansaugrohr, der mittels des Luftmengenmessers 17 erfaßt wird und Eingangsgröße sowohl eines Begrenzungskennfeld 53 sowie der Vergleichsstelle 47 ist. Über einen weiteren Eingang 54 gelangt zum Begrenzungskennfeld 53 ein Drehzahlsignal. Ausgangsseitig steht dieses Begrenzungskennfeld 53 mit dem Eingang 34 der Kleinstwertauswahlstufe 33 in Verbindung.
- Die Wirkungsweise des in Fig. 2 dargestellten Gegenstandes ist nun wie folgt:
- Das Niederdrücken des Fahrpedals 21 durch die Bedienungsperson des mit der Brennkraftmaschine ausgestatteten Fahrzeuges bewirkt am Ausgang 31 des Fahrpedalstellungsgebers 30 ein entsprechendes Wunschmengensignal an Kraftstoff. Dies deshalb, weil bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen die abgegebene Leistung primär über die eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmt wird. Dieser Mengenwunsch wird über die Kleinstwertauswahlstufe 33, die der Höchstmengenbegrenzung dient, an das Mengenkennfeld 36 weitergegeben und der nachfolgende Mengenregler stellt die gewünschte Menge bereit. Parallel dazu ergibt ein bestimmter Kraftstoffmengenwunsch bei einem gewünschten λ über das Kennfeld 40 ein entsprechendes Sollsignal für die Frischluftmenge. Diese Luftmenge ist unter anderem abhängig von der Drehzahl, die über den Eingang 41 auf das Ausgangssignal des Kennfeldes 40 Einfluß nimmt. Der ausgelesene Sollwert an Frischluft wird mit dem Meßsignal der Frischluftmenge vom Luftmengenmesser 17 verglichen. Die Regelabweichung wird im Regler 48 aufbereitet und über das Stellkennfeld 49 in einen entsprechenden Sollwert für das ARF- Stellwerk 14 umgeformt, dessen Position mittels des Reglers 50 und der Rückmeldeeinrichtung 51 geregelt wird. Ausgehend von diesem Frischluftistwert wird auch die höchstzulässige Kraftstoffmenge der Kleinstwertauswahlstufe 33 signalisiert. Prinzipiell wird daher beim Gegenstand der Fig. 2 ausgehend von einem Kraftstoffmengenwunsch über einen vorgegebenen λ-Wert eine erforderliche Frischluftmenge bestimmt und diese Frischluftmenge über das als Mischorgan wirkende ARF-Stellwerk 14 eingestellt. Der Rest des angesaugten Volumens bildet dann das Abgas, welches aufgrund der gegebenen Druckverhältnisse über die vom ARF-Stellwerk 14 geöffnete ARF-Leitung in die Saugleitung 11 der Brennkraftmaschine einströmt.
- Die Ausgangssignale der Erfassungsstufe 45 für die Zylindergesamtfüllung wirken nun zusätzlich auf das Kennfeld 40 ein und zwar in dem Sinne, daß alle meßtechnisch erfaßbaren Größen, die das Brennverhalten in den Zylindern bestimmen, auf den Luftmengensollwert Einfluß nehmen. Dies im Sinne eines sauberen Abgases insbesondere bei Teillast.
- Beim Gegenstand der Fig. 2 wird demnach ausgehend von Signalen der Fahrpedalstellung, der Drehzahl sowie der Zylindergesamtfüllung eine bezüglich der Abgasschadstoffe optimale Frischluftmenge ermittelt. Das als Mischorgan wirkende ARF-Stellwerk 14 dosiert diese Frischluftmenge und mischt gleichzeitig die unter den gerade herrschenden Druckmittelverhältnissen maximal mögliche Abgasrückführmenge zu. Beispielhaft ist in Fig. 2 die Erzeugung eines Signals der Zylindergesamtfüllung über ein Druck- und Temperatursignal angegeben.
- Die folgenden Fig. 3 bis 8 zeigen verschiedene Methoden, wie die Zylindergesamtfüllung ermittelt und verarbeitet werden kann. So zeigt Fig. 3 ein System, bei dem die vom Motor angesaugte gesamte Gasmenge durch einen Gesamtgasmengenmesser 60 im Saugrohr nach Einmündung der Abgasrückführleitung gemessen wird. Das Gesamtmengenmeßsignal wird in der Rechenstufe 79 mittels eines Drehzahlsignals in ein Zylindergesamtfüllungssignal Qs umgerechnet und dieses Signal wird dem Eingang 43 des Kennfeldes 40 zugeführt. Ein Block 61 stellt in dieser Fig. 3 ein " Gemischbildungssystem" GBS dar und enthält die aus Fig. 2 bekannten übrigen Blöcke.
- Fig. 4 zeigt eine Anordnung, die über einen Abgas-Rückführmengenmesser 64 verfügt, dessen wiederum in einer Rechenstufe 79 auf die Menge pro Hub umgerechnetes Ausgangssignal QARFi zu dem aus dem Gemischbildungssystem 61 vorhandenen Ist-Luftmengensignal in einer Additionsstufe 65 addiert wird. Die weitere Signalverarbeitung erfolgt wie bei der Einrichtung nach Fig. 3.
- Fig. 5 entspricht der Darstellung von Fig. 2. Die Zylindergesamtfüllung Qs wird dabei aus einer Temperatur- und Absolutdruckmessung im Saugrohr bestimmt. Die Meßsignale vom Druckgeber 67 und Temperaturgeber 68 werden der Erfassungsstufe 45 für die Zylindergesamtfüllung zugeführt und dort aus beiden Eingangssignalen ein Ausgangswert bezüglich der Gesamtfüllung Qs ermittelt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Saugrohrtemperatur θ s (Verdichtungsanfangstemperatur) zur Bestimmung der optimalen Abgasrückführrate mit herangezogen werden kann, indem über eine gestrichelte Leitung 69 das Temperatursignal zum Kennfeld 40 weitergeleitet wird.
- Bei geringen Genauigkeitsanforderungen ist es auch denkbar, daß neben der Saugrohrtemperatur nur der Saugrohrüberdruck gegen Außendruck erfaßt wird und als Korrektursignal auf den Mengensollwert wirkt. Dies ist besonders dann ausreichend, wenn bereits eine Außendruckkorrektur vorliegt und nur noch eine bessere Anpassung an die dynamischen Bedingungen von Lader und Abgasrückführstellwerk gewünscht wird.
- Fig. 6 zeigt eine vereinfachte und daher weniger genaue Variante des Systems nach Fig. 5. Hier wird nur der Saugrohrdruck mit einem Druckmesser 67 erfaßt und dem Kennfeld 40 zugeführt.
- Die Gegenstände der Fig. 7 und 8 zeigen Einrichtungen, bei denen die Bearbeitung der Signale modifiziert und vereinfacht wird. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Blöcke 45 , d. h. die Erfassungsstufen für die Zylindergesamtfüllung, eines der in den Fig. 3 bis 6 dargestellten Systeme zur Erfassung der Zylindergesamtfüllung enthalten.
- In vielen Fällen ist kein vierdimensionales Kennfeld (40) notwendig, um eine ausreichende Genauigkeit zu erzielen.
- Im System nach Fig. 7 ist daher das vierdimensionale Kennfeld aufgeteilt in dreidimensionale Kennfelder. In einem ersten Kennfeld 70 wird dabei die für die Normalbedingungen optimale Solluftmenge QL* soll bestimmt. Diese wird in einem nachfolgenden Korrekturkennfeld 71 entsprechend der Zylindergesamtfüllung korrigiert.
- Häufig ist die optimale Abgasrückführrate nur von der Last, also vom Fahrerwunsch QK wunsch abhängig, nicht aber von der Drehzahl. Ist dies der Fall, kann das vierdimensionale Kennfeld 40 ohnehin auf drei Dimensionen reduziert werden. Fig. 8 zeigt eine gegenüber dem System nach Fig. 7 vereinfachte Anordnung, bei der davon ausgegangen wird, daß die optimale Solluftmenge pro Hub drehzahlunabhängig ist und das Normal-Soll-Luftmengensignal QL* soll mittels einer einfachen arithmetischen Rechnung zu dem eigentlichen Soll-Luftmengensignal QL soll korrigiert werden kann. Damit reduziert sich das Kennfeld 70 des Gegenstands von Fig. 7 auf eine Kennlinie 75, deren Ausgangssignal QL* soll in einem nachfolgenden Block 76 beispielsweise folgendermaßen verknüpft sein kann:
QL soll = QL* soll 1 + K (Qs - Qs normal )
- Qs normal ist die bekannte und als konstant angenommene Zylinderfüllung unter Normalbedingungen und K eine Systemkonstante.
- Neben den oben beschriebenen Systemen, bei denen ausgehend von einem Kraftstoffmengengemisch eine Soll-Luftmenge ermittelt wird und davon abhängig das Verhältnis von Frischluft zu Abgas bestimmt wird, ist auch eine Variation der zugemessenen Kraftstoffmenge abhängig von der Zylindergesamtfüllung denkbar. Diese Änderung kann jedoch nur in engen Grenzen vorgenommen werden im Hinblick auf den nahezu direkten Zusammenhang von eingespritzter Kraftstoffmenge und abgegebener Maschinenleistung.
Claims (8)
1. Einrichtung zum Festlegen der Zusammensetzung des Inhalts und des Füllungsgrades von Zylindern bei Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung mit einem Kraftstoffzumeßorgan, dem ein wenigstens von der Fahrpedalstellung abhängiges Signal zuführbar ist, einem Stellwerk zur Mischung der angesaugten Frischluft mit rückgeführtem Abgas, dadurch gekennzeichnet, daß Meßwertaufnehmer (16, 67, 68) für die wenigstens indirekt erfaßbare Zylindergesamtfüllung vorgesehen sind und abhängig vom Meßwert das Verhältnis von Frischluft zu Abgas und/oder die Kraftstoffzumessung beeinflußt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem Kraftstoffmengenwunschsignal, das abhängig von der Fahrpedalstellung ist, eine Soll- Luftmenge bestimmt wird und das Restvolumen zur Zylindergesamtfüllung durch Abgaszumessung bereitgestellt wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll-Luftmenge insbesondere über ein Kennfeld (40, 75, 76) wenigstens drehzahl- und zylindergesamtfüllungsabhängig korrigierbar ist.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindergesamtfüllung mittels eines Druckmessers (16, 67) vor den Einlaßventilen erfaßt und der Meßwert vorzugsweise temperaturabhängig korrigiert wird.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindergesamtfüllung mittels eines Gesamtmengenmessers (60) ermittelt wird.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindergesamtfüllung über Mengenmesser (17, 64) in der Frischluftleitung und in der Abgasrückführleitung bestimmt wird.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem Kraftstoffmengenwunschsignal über eine Kennlinie (75) ein noch zylinderfüllungsabhängig zu korrigierender Luftmengensollwert ermittelt wird.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Brennkraftmaschine mit einem Lader der Grad der Zylindergesamtfüllung über den Ladedruck steuerbar ist.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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