DE2929907A1

DE2929907A1 - Regeleinrichtung fuer gemischansaugende fremdgezuendete brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2929907A1
Application number: DE19792929907
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl Phys Dr Knapp; Ernst Dipl Ing Linder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-07-24
Filing date: 1979-07-24
Publication date: 1981-02-19
Also published as: JPS5620733A; DE2929907C2; GB2055961A; GB2055961B

Description

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16.7.1979 Böer/Ba

ROBERT BOSCH GMBH₃ 7000 STUTTGART 1

Regeleinrichtung für gemischansaugende fremdgezündete Brennkraftmaschinen

Stand der Technik

Es ist bekannt, mit Hilfe von starker Verwirbelung und Maßnahmen zur Reduzierung der Verbrennungstemperatur die Klopfneigung des in den Brennräumen von Brennkraftmaschinen zur Entflammung kommenden Verbrennungsgemisches zu reduzieren, so daß die Brennkraftmaschine mit einem höheren Verdichtungsverhältnis betrieben werden kann. Es ist bekannt, daß man auf diese Weise Verdichtungsverhältnisse von 11:1 erreichen kann (MTZ 1979, Seite 166). Eine Reduzierung der Klopfneigung ist insbesondere auch durch hohe anteilige Abgasrückführmengen erzielbar, wobei die Maßnahme der Abgasrückführung weiterhin zur Erniedrigung der Spitzen-Brennraumtemperaturen führt. Da die Entflammungsfreudigkeit von Kraftstoff/Luftgemischen mit steigendem Abgasrückführanteil geringer wird, sind bei,einer durch die DE-OS 26 13 586 bekannten Ausgestaltung zur Verbesserung der Entflammung mehrere Zündkerzen im Brennraum vorgesehen. Statt einer Mehrkerzenzündeinrichtung können gleich gute Entflammungseigenschaften auch durch eine sogenannte Packelzündung erreicht werden. Die Steuerung des Abgasrückführanteils erfolgt bei dieser bekannten Regeleinrichtung etwa proportional zur angesaugten

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Luftmenge, indem der Druck im Venturi des Gemischerzeugers zur Steuerung eines pneumatisch betätigten Abgasrückführventils verwendet wird. Ferner ist bei dieser bekannten Einrichtung für die Sicherstellung einer bestimmten Gas zusammensetzung eine Regelung des Kraftstoff/Luftverhältnisses des Betriebsgemisches vorgesehen unter Verwendung einer dem Abgas ausgesetzten Sauerstoffmeßsonde.

■Eine andere bekannte Einrichtung (DE-OS 27 10 761) weist zur Erhöhung der Verbrennungsgeschwindigkeit, durch die die Zufuhr von hohen Abgasrückführanteilen möglich ist, ohne an die Laufgrenze des Motors zu gelangen, drallbildende Mittel im Bereich des Einlasses der Prischladung in den Brennraum auf. Damit wird durch Verwirbelung die Aufbereitung des in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangenden Kraftstoffes verbessert, was Voraussetzung für eine gute Entflammbarkeit und eine hohe Verbrennungsgeschwindigkeit ist. Weiterhin wird bei dieser bekannten Einrichtung die Entflammbarkeit des Betriebsgemisches ebenfalls durch eine Mehrkerzen-Zündeinrichtung erhöht. Insgesamt sind auf diese Weise sehr hohe Abgasrückführanteile verwirklichbar.

Es ist weiterhin bekannt, mit Hilfe eines geeeigneten Sensors eineJclopfende Verbrennung zu erkennen und in Abhängigkeit vom Ausganssignal des Sensors Parameter, z. B. den Zündzeitpunkt, so mit Hilfe einer Regelschaltung zu beeinflussen, daß ein Klopfen vermieden wird.

Die obengenannten bekannten Einrichtungen haben sich zum Ziel gesetzt, den NO -Anteil im resultierenden Abgas möglichst niedrig zu halten. Es sind mit den dort geschilderten Maßnahmen Abgasrückführanteile von bis zu 50% möglich, ohne daß die Laufgrenze der Brennkraftmaschine überschritten wird. Andererseits hat jedoch die Erhöhung des Abgasrückführanteils auch den Nachteil, daß der Kraftstoffverbrauch aufgrund der als Ballast wirkenden inerten Gasmenge ansteigt. Es wird damit also zwar der Emissionsanteil von NQ „ verringert, jedoch nimmt die -.-..-- _der Kraftstoff ausnutzung ab.

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Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine erhebliche Verbrauchsminderung erzielt werden kann. Den wesentlichen Anteil daran hat die durch die erfindungsgemäße Lösung mögliche Erhöhung der Verdichtung. Durch sie wird die spezifische Leistung wesentlich verbessert und dementsprechend der spezifische Verbrauch gesenkt. Durch die vorgesehene Regelung der Betriebsgemischzusammensetzung ist es möglich, eine Luftzahl 7\ einzuhalten, bei der ein optimal niedriger Verbrauch erzielt wird, der weiterhin durch einen optimalen Abgasrückführanteil reduziert wird. Durch die Abgasrückführung wird durch die Reduzierung der Drosselverluste im Ansaugbereich ein höherer Füllungsgrad erzielt. Dabei wird mit der Zündzeitpunktregelung in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Klopfsensors gewährleistet, daß die Klopfgrenze bzw. ein Sicherheitsabstand von einer klopfenden Verbrennung nicht überschritten wird. Es kann somit eine Höchstgrenze des erreichbaren Verdichtungsverhältnisses ausgeschöpft werden, ohne daß die Brennkraftmaschine bei Pertigungs- und Einstellungenauigkeiten der Gefahr der Zerstörung ausgesetzt ist.

Durch die in den Unteransprücheh aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Lösung gegeben. Vorteilhaft ist insbesondere die Verwendung von drallerzeugenden Mitteln, an denen ein konstanter Druckabfall einhaltbar ist, so daß bei nahezu jeder Drehzahl der Brennkraftmaschine eine konstante Energiemenge in einen Drall umgewandelt wird. Damit ist der Grad der Verwirbelung nicht mehr drehzahlabhängig, so daß über den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine die äußersten Grenzen der klopffreien Verbrennung eingehalten werden können.

Weiterhin ist sehr vorteilhaft, daß zur Ermittlung des Sauerstoff gehalts im Abgas eine Sauerstoffmeßsonde vorgesehen ist, deren Betriebstemperatur mit Hilfe einer temperaturgeregelten Beheizung bei allen Betriebsbedingungen einhaltbar ist. Damit ist gewährleistet, daß bereits während des Warmlaufes und auch

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bei abgesenkten Abgastemperaturen, die Lambda-Sonde voll einsatzfähig ist und genaue Steuerwerte abgibt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung und Fig. 2 eine im einzelnen dargestelle Einrichtung zur Erzeugung eines konstanten Druckabfalls in den zu den Brennräumen führenden Ansaugrohren.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Zeichnung ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Ansaugsystem 2 und einem Abgassammeisystem 3 \ dargestellt. Von dem AbgassammeIrohr 4 führt eine Abgasrückführleitung 5 in das zum Ansaugsystem 2 führende Saugrohr 6. Die Einmündung der ,Abgasrückführleitung liegt dabei stromabwärts einer im Saugrohr 6 angeordneten Drosselklappe 8, die in üblicher Weise der Laststeuerung dient. Das AbgassammeIrohr 4 mündet in eine Nachverbrennungseinrichtung 9 bekannter Ausgestaltung, mit der NO„ reduziert und unverbrannte Bestandteile wie HC und CO oxidiert werden können.

Die Versorgung der Brennkraftmaschine mit Betriebsgemisch aus .Kraftstoff und Luft erfolgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine geregelte Saugrohreinspritzung mit Kraftstoffeinspritzventilen 10, die unmittelbar stromaufwärts der Einlaßventile angeordnet sind. Die Kraftstoffdosierung erfolgt durch eine Dosiereinrichtung 11, die ein Steuersignal von einem im Saugrohr stromaufwärts der Drosselklappe 8 angeordneten Luftmengenmesser 12 sowie von einer Lambdaregeleinrichtung 14 erhält, die das Signal einer im Abgassammeirohr 4 angeordneten Sauerstoffmeßsonde 15 verarbeitet. Solche Einrichtungen sind allgemein bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert werden.

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Mit der Dosiereinrichtung wird der Kraftstoff entsprechend der angesaugten Luftmenge zugemessen, die wiederum durch die Betätigung der Drosselklappe entsprechend dem Lastwunsch verändert wird. Das mit der Dosiereinrichtung 11 gesteuerte Kraftstoff/Luftverhältnis kann nun zusätzlich durch die Lambdaregeleinrichtung so verändert werden, daß an der Meßstelle der Sauerstoffmeßsonde 15 ein gewünschter Lambdawert, der bei Lambda = 1 liegt, gemessen wird. Die Dosiereinrichtung kann dabei mechanisch als auch mit elektrischen Mitteln den Kraftstoff zumessen. Ebenso kann das Luftmengenmessersignal als mechanische Größe oder als elektrische Größe an die Dosiereinrichtung 11 gegeben werden. Statt der gezeigten Saugrohreinspritzung ist es ohne weiteres möglich, auch einen üblichen Vergaser zu verwenden, bei dem der Druck im Venturi als Luftmengengröße dient.

Die gezeigte Brennkraftmaschine weist ferner eine Zündeinrichtung auf, mit Zündkerzen 17 und einer Zündspannungsverteileinrichtung 18. Diese Zündspannungsverteileinrichtung ist so ausgestaltet, daß über eine Einrichtung zur Veränderung des Zündwinkels 19 der Zündzeitpunkt auf Früh oder Spät verstellt werden kann. Die Einrichtung zur Verstellung des Zündzeitpunkts 19 wird von einer Regeleinrichtung 20 gesteuert, die Signale von z. B. jedem Zylinder zugeordneten Klopfsensoren 21 erhält. Klopfsensoren selbst sind mit verschiedenen Wirkprinzipien für sich bekannt. Ferner ist es bekannt, z. B. durch die DE-OS 25 46 705 oder die US-PS 4 111 035 Signale von Klopfsensoren mit Hilfe einer entsprechend ausgestalteten Regeleinrichtung zur Verstellung des Zündzeitpunktes zu verwenden. Diese bekannten Einrichtungen brauchen deshalb hier nicht näher beschrieben werden.

Die gezeigte Anordnung weist weiterhin in der Abgasrückführleitung 5 ein Mengensteuerventil 22 auf, das hier einen pneumatischen Stellantrieb 23 aufweist. Die Verstellung erfolgt dabei in Abhängigkeit von der angesaugten Luftmenge bzw. der

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angesaugten Gemischmenge, so daß ein prozentualer Anteil der Abgasrückführmenge des der Brennkraftmaschine zugeführten Betriebsgemisches eingehalten werden kann. Durch entsprechende, allgemein bekannte Maßnahmen lassen sich die gewünschten Werte des Abgasrückführanteils einstellen. Die Steuerung der Betätigungsgröße, im gezeigten Beispiel ein Stelldruck, erfolgt mit Hilfe einer Steuereinrichtung 24 in Abhängigkeit vom Signal des Luftmengenmessers bzw. vom Unterdruck stromabwärts der Drosselklappe 5. Dabei kann in bekannter Weise der Luftmengenmesser entweder ein elektrisches Signal oder eine mechanische Steuergröße abgeben, die evtl. unter Verstärkung in der Steuereinrichtung 24 zur Stellgröße umgewandelt wird und dem Stellantrieb 23 zugeführt wird. Auch die Druckabnahme mit_Hilfe eines Druckabnehmers 25-am- Saugrohr kann der Erzeugung einer mechanischen Große oder einer ■""".. elektrischen Größe dienen, die der Steuereinrichtung 24 zugeführt wird. Für die Steuerung des Abgasrückführmengen-Steuerventils bieten sich somit verschiedene bekannte Möglichkeiten, ohne daß hier durch das beschriebene Ausführungsbeispiel eine Festlegung auf eine bestimmte Ausführung erfolgen soll.

Weiterhin kann in einer alternativen Ausgestaltung zusätzlich •in vorteilhafter Weise die Sauerstoffmeßsonde 15 eine Beheizungseinrichtung aufweisen, mit der die Sondentemperatur auf ihre optimale Betriebstemperatur einregelbar ist. Solche Temperaturregeleinrichtuhgen sind ebenfalls bekannt und brauchen hier nicht näher beschrieben werden.

Bei der nichtgezeigteri Brennraumform der Brennräume der Brennkraftmaschine ist eine der bekannten Ausführungen verwirklicht, bei denen trotz hoher Verdichtung eine klopfende Verbrennung vermieden wird. Dazu gehören Maßnahmen, die im Brennraum eine hohe Luftbewegung erzeugen, so daß nach der Entflammung des Kraftstoff/Luftgemisches am Funken der Zündeinrichtung ein insgesamt schneller und gleichmäßiger Ablauf der Verbrennung erfolgen kann. Zur Erzeugung hoher Luftbe-

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wegungen im Brennraum werden Quetschflächen und auch Drallerzeuger vorgesehen, die im Saugrohr angeordnet sind. Drallerzeuger zu diesem Zwecke gibt es in vielfacher Ausgestaltung wie z. B. in der DE-OS 27 38 843 beschrieben. Wie dort erwähnt, können Drallerzeuger auch variabel ausgeführt werden und entsprechend Betriebsparametern gesteuert werden.

Bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 2 ist mit dem Schieber 27 symbolisch ein Drallerzeuger dargestellt, der in die Rohre des Saugsystems 2 ragt. Der Schieber 27 ist dabei mit einer Stellmembran 28 verbunden, die zwei Druckräume eines Stellmotors voneinander trennt. Auf der einen Seite ist die Stellmembran von einer Druckfeder 29, die im ersten Druckraum 30 angeordnet ist, so belastet, daß sich der Schieber 27 unter Einwirkung der Kraft der Druckfeder 29 in eine die freie öffnung im Rohr des Saugsystems verringernden Sinne bewegt. Dieser erste Druckraum 30 ist über eine Leitung 31 mit dem Abgassammelsystem 2 stromabwärts des Schiebers 27 verbunden. Der zweite Druckraum 32 auf der anderen Seite der Membran 28 ist über eine Leitung 33 mit dem Saugsystem stromaufwärts des · Schiebers 27 verbunden.

Mit dieser Einrichtung ist es möglich, am Schieber 27 bzw. am entsprechend ausgestalteten Drallerzeuger einen konstanten Druckabfall einzustellen. Die sonst bekannten Drallerzeuger haben den Nachteil, daß der erzeugte Drall stark last- und drehzahlabhängig ist. üblicherweise wird deshalb die Drallerzeugung danach ausgelegt, daß bei Höchstdurchsatz keine zu starke Leistungseinbüße entsteht. Das bedeutet aber, daß bei niedriger Drehzahl nur ein geringer Drall erzeugt wird. Wenn jedoch der Drall für die Klopffreiheit der Verbrennung mit verantwortlich ist, muß in diesem Fall bei niedriger Drehzahl die zulässige Kompression herabgesetzt werden, da sonst das Beschleunigungsklopfen entsteht. Mit der Ausgestaltung gemäß Fig. 2 ist es nun möglich, den Drall konstant zu halten, unabhängig von Durchsatz und Drehzahl. Es kann

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dabei ein solches, in Pig. 2 gezeigtes Element jeden einzelnen Einlaß der Brennkraftmaschine zugeordnet werden oder ersatzweise ein Stellelement für alle Drallerzeuger vorgesehen werden. Durch die beschriebenen Einrichtungen ist es möglich, eine gemischansaugende, fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einer Kompression von etwa 11:1 oder höher zu betreiben, was sich wesentlich auf die Verbrauchsverbesserung auswirkt. Um die Höchstgrenze der durch Brennraumgestaltung und Drallerzeugung sowie durch Abgasrückführung ermöglichbaren Verdichtung voll auszuschöpfen, ist zusätzlich eine Klopferkennung vorgesehen, mit deren Hilfe der Zündzeitpunkt immer so geregelt wird, daß eine klopfende Verbrennung vermieden wird. Damit wird auch die Gefahr beseitigt, daß aufgrund von Pertigungstoleranzen der Brennkraftmaschine die Klopfgrenze überschritten wird und der Motor zerstört wird. Die Menge des rückgeführten Abgases wird, weiterhin so ausgelegt, daß man in dem damit erzielbaren Brennstoffverbrauchsoptimum liegt.

Neuere Ergebnisse zeigen, daß man in einzelnen Fällen schon mit Abgasrückführaten von ca. 5% eine Verbrauchsverbesserung von 3 bis 5% erzielen kann. Duch eine Regelung des Abgasrückführanteils in Abhängigkeit von der Laufunruhe der Brennkraftmaschine unter Verwendung einer bekannten Laufruheregeleinrichtung 34 kann der Abgasrückführanteil in vorteilhafter Weise optimiert werden. Dabei wird die magere Laufgrenze, d. h. eine Gemischzusammensetzung, bei der eine unzulässig hohe Unrundheit des■ Laufes der Brennkraftmaschine auftritt, unter Mitwirkung der hohen Verdichtung in den Bereich von Luftzahlen A=I des verwendeten Betriebsgemisches gerückt. In Fig. 1 ist die Laufruheregeleinrichtung 3*1 mit einem Geber 35 verbunden, der die Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine an der Kurbelwelle 36 erfaßt. Die Abgasrückführung begünstigt weiterhin sehr stark die Einregelung der gewünschten Lambdawerte mit Hilfe der Lambdaregelung. Zusätzlich wird mit der Beheizung der. Sauerstoffmeßsonde 15 die Möglichkeit gegeben, die Lambdaregelung praktisch über den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine einzusetzen, so daß insgesamt eine optimale Abgaszusammensetzung erzielbar ist.

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Claims

R· 55 9 5 l6.. 7.1979 Bö/Ba ROBERT BOSCH GMBH, 7qOQ STUTTGART 1 Ansprüche

1.J Regeleinrichtung für gemischansaugende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine Brennraumform aufweist, durch die ein Verdichtungsverhältnis von etwa 11:1 erreichbar ist, daß ferner eine Einrichtung (24) zur Steuerung von Abgasrückführmengen in Abhängigkeit von der angesaugten Gasmenge sowie eine Regeleinrichtung (11, 14) vorgesehen ist₃ mit der die Gemischzusammensetzung aus Kraftstoff und Luft entsprechend dem Sauerstoffgehalt im Abgas geregelt wird und mit weiterhin einer Einrichtung (20) zur Regelung des Zündzeitpunktes mit Hilfe des Signals wengistens eines Klopf sensors (21)·, der zur Ermittlung der Annäherung des Verbrennungsablaufes an diö Klopfgrenze dient.

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2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer hohen, eine klopfende Verbrennung vermeidenden Verdichtung Drallerzeuger (27) im Ansaugsystem (2) vorgesehen sind.

3· Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Ansaugsystem drallerzeugende Mittel mit variablem Widerstand vorgesehen sind, die mit einer Einrichtung (28) verbunden sind, mit der der Widerstand am drallerzeugenden Mittel konstant haltbar ist.

4. Regeleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Sauerstoff gehalts im Abgas eine Sauerstoffmeßsonde (15) vorgesehen ist, deren Temperatur mit Hilfe einer temperaturgeregelten Heizung konstant haltbar ist.

5. Regeleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückmenge zusätzlich mit Hilfe einer Laufruheregeleinrichtung geregelt wird.

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