DE2900953A1 - Regelvorrichtung fuer brennkraftmaschinen mit teilzylinderbetrieb und auspuffgas-rueckfuehrung - Google Patents

Regelvorrichtung fuer brennkraftmaschinen mit teilzylinderbetrieb und auspuffgas-rueckfuehrung

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DE2900953A1 DE19792900953 DE2900953A DE2900953A1 DE 2900953 A1 DE2900953 A1 DE 2900953A1 DE 19792900953 DE19792900953 DE 19792900953 DE 2900953 A DE2900953 A DE 2900953A DE 2900953 A1 DE2900953 A1 DE 2900953A1
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Description

TER MEER - MÜLLER · STEINMEISTER "^ SSan
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit Teilzylinderbetrieb und Auspuffgas-Rückführung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Brennkraftmaschinen mit Teilzylinderbetrieb oder "Split"-Betrieb sind bekannt. Sie dienen dem Ziel einer Brennstoff einsparung bei reduzierter Maschinen-Ausgangsleistung, bei der einzelne Zylinder abgeschaltet werden, während die in Betrieb verbleibenden Zylinder mit maximalem Wirkungsgrad arbeiten. Im übrigen sind Brennkraftmaschinen bekannt, die in geschlossener Regelschleife bei Verwendung eines Auspuffgas-Sensors geregelt werden, der ein Rückkopplungs-Steuersignal abgibt. Weiterhin ist eine Auspuffgas-Rückleitung (EGR) bekannt als Mittel zur Reduzierung von Schadgas-Emissionen. Aufgrund der Notwendigkeit, Brennstoff einzusparen und Emissionsvorschriften zu erfüllen, werden diese Verfahren in breitem Umfang verwendet. Eine einfache Kombination dieser Verfahren wäre jedoch nachteilig. Beispielsweise würde ein Teilzylinderbetrieb zu einer Auspuffgasverschmutzung führen, wenn die abgeschalteten Zylinder Ansaugluft ansaugen und ausstoßen • würden, so daß der Auspuffgas-Sensor ein Signal zur Erzeugung eines fetteren Gemisches abgeben würde, das für die in Betrieb befindlichen Zylinder zu fett wäre. Zur Ausschaltung dieses Überfettungs-Problems sollten die abgeschalteten Zylinder abgetrennt werden. Der einfachste und wirksamste Weg einer derartigen Abtrennung und Unterbrechung der Luftzufuhr besteht in der Verwendung eines Schließventils in einer Luft-Sammelkammer des Ansaugkrümmers , von der aus sich die Zweigleitungen zu den einzelnen Zylindern erstrecken, so daß beim Schließen des Ventils Luft nur zu der in Betrieb befindlichen Zylindergruppe gelangt, während der Luftzugang zu den anderen Zylindern während des Teilzylinderbetriebs unterbrochen wird. Dies, führt jedoch zu Pumpverlusten in den abgeschalteten Zylin-r
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dem, da die Kolben in diesen lediglich hin- und hergehen. Die US-Patentanmeldung 94 7 638 beschreibt ein Verfahren zur Überwindung dieses Nachteiles durch Rückleitung der Auspuffgase durch die abgeschalteten Zylinder. Während des Teilzylinderbetriebs entwickelt sich jedoch eine Druckdifferenz zwischen den unterteilten Bereichen der Luft-Sammelkammer des Ansaugkrümmers aufgrund der
Unterbrechung der Luftzufuhr der abgeschalteten
Zylindergruppe, so daß Gase höheren Druckes schlagartig in den Bereich niedrigen Druckes eintreten und nachteilige Wirkungen auf den Maschinenbetrieb bei Wiederaufnahme des Betriebs aller Zylinder hervorrufen.
Die Erfindung ist darauf gerichtet, die Pumpverluste während des Teilzylinderbetriebs auf ein Minimum zu bringen und zugleich Ubergangsprobleme des Maschinenlaufs beim
Übergang vom Teilzylinderbetrieb auf den vollen Betrieb zu verhindern.
Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.
Erfindungsgemäß wird die Druckdifferenz zwischen den unterteilten Bereichen eines Ansaugkrümmers während des
Teilzylinderbetriebs abgetastet, und der Durchsatz der
zurückgeführten Auspuffgase, die in die abgeschalteten
Zylinder eingeleitet oder durch diese umgewälzt werden, wird entsprechend dieser Druckdifferenz gesteuert, so
daß die Druckdifferenz zwischen den Teilkammern des Ansaugkrümmers im wesentlichen auf Null gebracht wird.
Auf diese Weise wird zugleich ein sparsamer Brennstoffverbrauch, ein verringerter Schadstoff-Ausstoß, ein verringerter Pumpverlust und ein angemessener Betrieb der
Maschine während der Übergangs-Perioden erreicht.
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Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung.
Gemäß der Zeichnung weist eine Brennkraftmaschine mit geteiltem Zylinderbetrieb/ die eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung aufweist, sechs Zylinder auf, die die Ziffern Nummer 1 bis Nummer 6 tragen und in Zusammenhang mit einem Zylinderkopf 1 dargestellt sind. Ein Ansaugkrümmer 2 schließt eine Luft-Sammelkammer 3 ein, die in eine erste Teilkammer 3a und eine zweite Teilkammer 3b unterteilt ist, sowie Leitungen 4a von der ersten Teilkammer 3a zu den Zylindern Nr. 1 bis Nr. 3 und Leitungen 4b zwischen der zweiten Teilkammer 3b und den Zylindern Nr. 4 bis Nr. 6. Wie später erläutert werden soll, werden bei Maschinenbetrieb mit verhältnismäßig hoher Last alle Zylinder in Betrieb gesetzt, während bei niedriger Last nur die Zylinder Nr. Ί bis Nr. 3 für den Antrieb verwendet werden. Auspuffgase aus den Zylindern Nr. 1 bis Nr. 3 gelangen durch einen Kanal 12a zu einem katalytisehen Dreiwege-Konverter 43, und Auspuffgase der Zylinder Nr. 4 bis Nr. 6 treten in den Konverter 43 durch einen Kanal 12b ein. In einem Punkt stromaufwärts des katalytischen Konverters ist ein Auspuffgas-Sensor 44, wie etwa ein Zirkon-Sauerstoff-Sensor vorgesehen, der ein Signal entsprechend der Konzentration von Sauerstoff in den Auspuffgasen an einen Differenzverstärker 45 abgibt, der einen Vergleich mit einer Vergleichsspannung Vref durchführt, die dem gewünschten Luft-Brennstoff-Verhältnis entspricht.
30
Eine Trennwand 8 mit einer öffnung befindet sich in der Sammelkammer 3 des Ansaugkrümmers. Diese öffnung wird bei relativ niedriger Maschinenlast durch eine bei 6a angelenkte Steuerklappe 6 geschlossen, so daß der Eintritt von frischer Luft in die zweite Teilkammer 3b verhindert wird. Zugleich werden Brennstoff-Einspritzdüsen 5b abgeschaltet.
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Das Steuerventil oder die Steuerklappe 6 wird durch ein auf Druck ansprechendes Betätigungsorgan 7 bewegt, das im wesentlichen eine Druckkammer 7a und eine Membran 7b umfaßt, die mit Hilfe einer Feder 7c vorgespannt ist und über ein Gestänge 7d mit dem Anlenkpunkt 6a verbunden ist. Die Druckkammer 7a ist mit dem Auslaß eines Steuerventils 11 verbunden, das zwei Einlasse aufweist. Ein Einlaß F des Steuerventils 11 steht mit einem ünterdruckbehälter oder einer Unterdruckquelle 10 in Verbindung, während der andere Einlaß P zur Atmosphäre offen ist. Diese Unterdruckquelle wird mit einem Unterdruck über ein Rückschlägventil 9 aus der ersten Teilkammer 3a versorgt. Wenn das Steuerventil 11 in die in durchgezogenen Linien dargestellte Position geschaltet ist, die einer niedrigen Maschinenlast entspricht, wird die Membran 7b nach rechts verschoben, so daß eine Achse im Punkt 6a in Gegenuhrzeigerrichtung gedreht und die Steuerklappe 6 geschlossen wird. Bei hoher Maschinenlast wird das Steuerventil 11 auf die gestrichelt dargestellte Position umgeschaltet und mit dem Unterdruck verbunden, so daß die Membran 7b nach links bewegt wird und die Achse im Punkt 6a in Uhrzeigerrichtung schwenkt. Dadurch wird die Steuerklappe 6 geöffnet.
Ein Maschinenlast-Sensor 40 ermittelt einen Betriebszustand der Maschine mit verhältnismäßig geringer Last und liefert ein Signal, das einen derartigen Betriebszustand widergibt, an ein Steuergatter 41 sowie an Steuerventile 11,38 und 39 und bewirkt eine Umschaltung aus der Position F des Vollbetriebs in die Position P des Teilzylinderbetriebs.
Brennstoffeinspritzimpulse, die an die Einspritzdüsen 5a und 5b gelangen, werden durch eine Steuereinheit 42 herkömmlicher Art gebildet, nachdem Signale eingetroffen sind, die die verschiedenen Betriebsparameter widergeben. Weiterhin wird ein Signal vom Ausgang des Differenzverstärkers
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45 aufgenommen. Die Impulsdauer oder -breite der Brennstoff-Einspritzimpulse wird gesteuert entsprechend den aufgenommenen Betriebsparameter-Signalen und dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers, das die Abweichung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses von dem gewünschten Wert widergibt. Das erfindungsgemäße Regelsystem für eine Brennkraftmaschine mit Teilzylinderbetrieb arbeitet daher in einer geschlossenen Regelschleife für die Gemischsteuerung entsprechend der abgetasteten Auspuffgaskonzentration, so daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis des zugeführten Gemisches an einem gewünschten Punkt gehalten wird, der normalerweise bei oder in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnisses liegt. Auf diese Weise kann ein katalytischer Dreiwege-Konverter 43 ihnerhalb eines engen Bereiches hoher Umwandlungs-Wirksamkeit arbeiten.
Die Brennstoff-Einspritzimpulse für die Einspritzdüsen 5a werden direkt von der Steuereinheit 42 zugeführt, während die anderen Einspritzimpulse über das Steuergatter 41 entsprechend dem Steuersignal des Maschinenlast-Sensors 40 abgegeben werden.
Zur Reduzierung des Anteils von NOx in den Auspuffgasen ist eine erste Auspuffgas-Rückleitung 14 (EGR) zwischen dem Auspuff-Kanal 12a und der ersten Teilkammer 3a des Ansaugkrümmers 2 vorgesehen. Durch diese Rückleitung wird Auspuffgas der Zylinder Nr. 1 bis 3 zu der ersten Teilkammer 3a zurückgeführt. Die Rückführung wird gesteuert mit Hilfe eines Steuerventils 15, das ein Ventilglied 20 in der Rückleitung 14 und eine Membran 18, die eine Unterdruckkammer 17 und eine Atmosphärendruckkammer 16 bildet, umfaßt. Die Membran 18 ist mit dem Ventilglied verbunden und mit diesem gemeinsam beweglich. Die Unterdruckkammer 17, in der eine Feder 19 vorgesehen'ist, die die Membran 18 in Richtung der Atmosphärendruckkammer 16 vorspannt, wird mit einem Steuer-Unterdruck einer EGR-Steuer-
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einheit 46 entsprechend den Betriebsbedingungen der Maschine versorgt. Die Membran 18 nimmt eine Position ein, in der sich ein Ausgleich zwischen den Drücken in den Kammern 16 und 17 bildet, so daß das Ventilglied 20 proportional zu dem Steuerdruck bewegt wird und dadurch die Menge der zurückgeleiteten Auspuffgase steuert. Der Steuerunterdruck der Steuereinheit 46 gelangt ebenfalls an das Steuerventil 38 über dessen Einlaß F.
In ähnlicher Weise ist eine zweite EGR-Rückleitung 31 zwischen dem zweiten Auspuff-Kanal 12b und der zweiten Teilkammer 3b vorgesehen. Durch diese Rückleitung werden die Auspuffgase der zweiten Gruppe der Zylinder Nr. 4 bis Nr. 6 an die zweite Teilkammer 3b zurückgeleitet.
Diese Rückleitung wird durch ein Steuerventil 30 gesteuert, das weitgehend dem Steuerventil 15 entspricht. Das Steuerventil 13 umfaßt ein Ventilglied 36 in der Rückleitung 31 und eine Membran 33, die Kammern 34 und 35 auf beiden Seiten bildet. Die Kammer 34 ist mit einem Auslaß des Steuerventils 38 verbunden, und die Kammer 35 steht mit einem Auslaß des Steuerventils 39 in Verbindung. Das Ventilglied 36 ändert seine Position entsprechend der Druckdifferenz zwischen den Kammern 34 und 35 und steuert proportional die Menge der durch die abgeschalteten Zylinder Nr. 4 bis Nr. 6 umgewälzten Gase.
Das erste Steuerventil 38 weist einen ersten Einlaß F auf, der mit der EGR-Steuereinheit 46 verbunden ist, sowie einen zweiten Einlaß P, der mit der zweiten Teilkammer 3b in Verbindung steht. Das Steuerventil 39 steht mit seinem ersten Einlaß F mit der Atmosphäre in Verbindung und mit dem zweiten Einlaß P mit der ersten Teilkammer 3a. Während des Betriebes sämtlicher Zylinder der Maschine verbleiben die Steuerventile 38 und 39 in der Stellung ihrer Einlasse F, die durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Daher wird die Kammer 35 auf Atmosphärendruck gehalten, während die Kammer 34 den Unterdruck der Unterdruckkam-
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mer 17 des ersten Steuerventils 15 aufweist, so daß die beiden Steuerventile 15 und 30 mit demselben Steuer-Unterdruck versorgt werden.
Wenn dagegen die Maschine im Teilzylinderbetrieb läuft, erzeugt der Last-Sensor 40 ein Steuersignal, das eine Umschaltung der Steuerventile 38 und 39 auf die Einlasse P bewirkt, die in durchgezogenen Linien dargestellt sind. Dadurch gelangt in die Kammer 35 der Druck der Teilkammer 3a und in die Kammer 34 der Druck der Teilkammer 3b. Die Membran 33 ist nunmehr bestrebt, sich entsprechend der Druckdifferenz zwischen den Teilkammern 3a und 3b zu bewegen. Das Steuergatter 41 wird durch das Steuersignal des Last-Sensors 40 ausgeschaltet, so daß die Zylinder 4 bis 6 ausgeschaltet werden, und das Steuerventil 11 wird auf den Einlaß P umgeschaltet, so daß die Steuerklappe 6 geschlossen wird. In diesem Falle läuft die Maschine nur mit den Zylindern Nr. 1 bis Nr. Da die Steuerklappe 6 geschlossen ist, besteht das Bestreben einer Druckreduzierung in der Teilkammer 3b unter den Druck in der Teilkammer 3a, so daß bei einer späteren Umschaltung der Maschine auf vollen Betrieb die Hochdruckgase in der Teilkammer 3a schlagartig in die Teilkammer 3b eintreten und dadurch den Lauf der Maschine im übergangsbereich stören können.
Aufgrund des Rückkopplungsbetriebs des Steuerventils 30 werden die zu der Teilkammer 3b zurückgeführten Gase in ihrer Menge jedoch proportional zu der Druckdifferenz zwischen den Kammern 34 und 35 und damit proportional zu der Druckdifferenz zwischen den Kammern 3a und 3b geregelt, bis der Druck in der Teilkammer 3b dem Druck in der Teilkammer 3a entspricht.
Während des vollen Betriebs der Brennkraftmaschine werden alle Zylinder in gesteuerter Weise mit zurückgeführten Auspuffgasen versorgt, und das Luft-Brennstoff-Verhältnis
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wird auf einen gewünschten Punkt entsprechend dem Steuersignal des Auspuffgas-Sensors 44 eingestellt. Während des Teilzylinderbetriebs, bei dem die Ventilklappe 6 geschlossen ist und einen Eintritt von Frischluft in die abgeschalteten Zylinder verhindert, werden die abgeschalteten Zylinder in gesteuerter Weise mit zurückgeführten Auspuffgasen und zugleich mit einer angemessenen Frischluftmenge versorgt, und das Luft-Brennstoff-Verhältnis der eingeschalteten Zylinder wird auf einen gewünschten Punkt eingeregelt, während die abgeschalteten Zylinder lediglich Gase ansaugen und ausstoßen und diese umwälzen. Daher werden die Pumpverluste der abgeschalteten Zylinder erheblich reduziert, und aufgrund der druckausgleichenden Wirkung des Steuerventils 30 wird die Druckdifferenz zwischen den Teilkammern 3a und 3b auf ein Minimum reduziert. Auf diese Weise werden nachteilige Wirkungen ausgeschaltet, die andernfalls im Übergangsbereich eintreten könnten, wenn die Maschine von Teilzylinderbetrieb auf vollen Betrieb umgeschaltet wird.
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Claims (3)

  1. PATENTANWÄLTE
    TER MEER - MÜLLER - STESNMEISTER
    D-8000 München 22 D-48OO Bielefeld 2 9 Ü O 9 5 3
    Triftstraße 4 Siekerwal! 7
    PG23-78238
    st/ri 11. Jan.
    NISSAN MOTOR COMPANY, LTD.
    No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku,
    Yokohama City, Japan
    Regelvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit Teilzylinderbetrieb und Auspuffgas-Rückführung
    PRIORITÄT: 12. Januar 1978, Japan, No. 53-2273
    PATENTANSPRÜCHE
    (j\ J Regelvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit Teilzylinderbetrieb und Auspuffgas-Rückführung, welche Brennkraftmaschinen eine erste und eine zweite Zylindergruppe, einen Ansaugkrümmer mit einer ersten und einer zweiten Teilkammer in Verbindung mit der ersten und der zweiten Zylindergruppe und eine Einrichtung zum Abschalten der zweiten Zylindergruppe bei relativ niedriger Maschinenlast umfassen, g ekennzeichnet durch ein Ventil (6) , das entsprechend der Maschinenlast steuerbar ist und bei niedriger Maschinenlast die erste und zweite Teilkammer
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    TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan:
    (3a,3b) derart voneinander trennt, daß Luft nur in die erste Zylindergruppe durch die erste Teilkammer gelangt, bei hoher Last dagegen durch beide Teilkammern in beide Zylindergruppen eintritt, eine erste Rückleitungseinrichtung (14,15) zur Rückleitung eines Teiles der Auspuffgase durch die erste Teilkammer (3a) und die erste Zylindergruppe, eine zweite Rückleitungseinrichtung (31 ,30) zur Rückleitung eines Teils der Auspuffgase durch die zweite Teilkammer (3b) und die zweite Zylindergruppe und eine Steuereinrichtung (32,36,38,39), die bei niedriger Maschinenlast einschaltbar ist und eine Druckdifferenz zwischen den ersten und zweiten Teilkammern (3a,3b) abtastet und dementsprechend die durch die zweite Teilkammer zurückgeleitete Gasmenge zur Drückangleichung regelt.
    15
  2. 2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (32,36,38,39) ein Gehäuse mit einer Membran (33) zur Bildung erster und zweiter Kammern (34,35) und ein Ventil (31,36) in der zweiten Rückleitung (31) umfaßt, wobei die Membran mit dem Steuerventil zur Steuerung des Gasdurchgangs in der zweiten Rückleitung (31) verbunden ist, daß ein erstes Steuerventil (39) vorgesehen ist, das die erste Teilkammer (3a) des Ansaugkrümmers (2) mit der ersten Kammer
    (35) bei niedriger Maschinenlast und diese erste Kammer
    (35) bei hoher Maschinenlast mit der Atmosphäre verbindet, und daß ein zweites Steuerventil (38) vorgesehen ist, das die zweite Teilkammer (3b) des Ansaugkrümmers mit der zweiten Kammer (34) bei niedriger Maschinenlast verbindet und die zweite Kammer (34) bei hoher Maschinenlast mit einem Steuerunterdruck in Verbindung setzt.
  3. 3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Auspuffgas-Sensor (44) zur Abtastung der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils der Auspuffgase der Brennkraftmaschine und zur Erzeugung eines entsprechenden, elektrischen Rückkopplungssignals
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    sowie zur Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des der Maschine zugeführten Gemisches auf einen gewünschten Wert entsprechend einer maximalen Umwandlungs-Effektivität eines katalytischen Konverters. 5
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DE2900953A 1978-01-12 1979-01-11 Regelvorrichtung für Brennkraftmaschinen Expired DE2900953C2 (de)

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