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Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für gemischansaugende fremdgezündete Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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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 Fackelzündung erreicht werden. Die Steuerung des Abgasrückführanteils erfolgt bei dieser bekannten Regeleinrichtung etwa proportional zur angesaugten 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 Gaszusammensetzung eine Regelung des Kraftstoff/Luftverhältnisses des Betriebsgemisches vorgesehen unter Verwendung einer dem Abgas ausgesetzten Sauerstoffmeßsonde.
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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 Frischladung 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.
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Es ist weiterhin bekannt, mit Hilfe eines geeigneten Sensors eine klopfende Verbrennung zu erkennen und in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Sensors Parameter, z. B. den Zündzeitpunkt, so mit Hilfe einer Regelschaltung zu beeinflussen, daß ein Klopfen vermieden wird.
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Die obengenannten bekannten Einrichtungen haben sich zum Ziel gesetzt, den NO x -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 NO x verringert, jedoch nimmt die Güte der Kraftstoffausnutzung ab.
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Durch die DE-OS 29 00 953 ist eine Regeleinrichtung der gattungsgemäßen Art bekannt. Ziel der bekannten Einrichtung ist es, den Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine gering zu halten unter Einhaltung eines geringen Schadstoffausstoßes. Zur Verminderung des Schadstoffausstoßes weist die bekannte Einrichtung eine Regeleinrichtung auf, die mit Hilfe eines Sauerstoffsensors ein stöchiometrisches Kraftstoffluftverhältnis einregelt, verbunden mit einem Dreiwegekatalysator. Weiterhin ist auch für die Reduzierung des NO x -Anteils im Abgas eine Abgasrückführvorrichtung vorgesehen. Gemäß der Lehre der bekannten Einrichtung dient aber die Abgasrückführung einem anderen Zweck, nämlich dem einen verbrauchsmindernden Teilzylinderbetrieb einer Brennkraftmaschine zu ermöglichen, bei dem durch eine besondere Steuerung der Abgasrückführung die Pumpverluste auf ein Minimum gebracht werden und das Übergangsverhalten der Brennkraftmaschine gegenüber bekannten Lösungen verbessert wird. Diese Einrichtung weist aber keine Steuerung der Abgasrückführrate in Abhängigkeit von der angesaugten Frischluftmenge auf. Damit treten auch hier unterschiedliche Füllungsgrade der Brennräume und verbrauchserhöhende Drosselverluste auf. Wenn auch durch den Teilzylinderbetrieb eine Verbrauchssenkung erreicht werden mag, wird diese jedoch von den Pumpverlusten der dabei geschleppten Zylinder wieder beeinflußt. Weiterhin stellt die Steuerung eines Teilzylinderbetriebs einer Brennkraftmaschine einen erheblichen Aufwand dar und ist mit einigen Problemen verbunden, die in der bekannten DE-OS 29 00 953 zum Teil angesprochen sind. Darunter fällt im wesentlichen das Übergangsverhalten, die Verschmutzung und Auskühlung der abgeschalteten Zylinder sowie die Schmierungsprobleme.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung so weiterzubilden, daß der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei Einhaltung optimaler Abgaszusammensetzung in bezug auf schädliche Abgasbestandteile so weit wie möglich reduziert wird, unter Vermeidung von die einwandfreie Funktion der Brennkraftmaschine gefährdenden Betriebszuständen.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Den wesentlichen Anteil an der Verbrauchsminderung hat dabei die durch die erfindungsgemäße Lösung ermöglichte 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, dabei auch eine Luftzahl λ einzuhalten, bei der ein niedriger Verbrauch und eine geringe Schadstoffemission erzielt werden, unterstützt durch einen optimalen Abgasrückführanteil. Durch die luftdurchsatzabhängige Abgasrückführrate wird jeweils eine Höchstmenge an Abgas rückgeführt, wodurch die Drosselverluste im Ansaugbereich der Brennkraftmaschine reduziert werden und ein höherer Füllungsgrad der Brennräume erzielt wird, der sich ebenfalls verbrauchsmindernd auswirkt. Zugleich 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 unbedenklich eine Höchstgrenze des erreichbaren Verdichtungsverhältnisses ausgeschöpft werden, ohne daß die Brennkraftmaschine bei Fertigungs- und Einstellungsgenauigkeiten der Gefahr der Zerstörung ausgesetzt ist.
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Durch die in den Unteransprüchen 2 bis 4 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patentanspruch 1 angegebenen Lösung gegeben.
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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.
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Durch die im Patentanspruch 4 vorgesehene Regelung der Abgasrückführmenge wird weiterhin vermieden, daß die Brennkraftmaschine bei hohen Abgasrückführraten bzw. bei geringen Luftdurchsätzen in den Bereich der Laufgrenze gerät, d. h. in einen Bereich, wo aufgrund der Verbrennungsverhältnisse eine unzulässige Unrundheit des Laufes der Brennkraftmaschine auftritt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 die schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung und
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Fig. 2 eine im einzelnen dargestellte Einrichtung zur Erzeugung eines konstanten Druckabfalls in den zu den Brennräumen führenden Ansaugrohren.
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In der Zeichnung ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Ansaugsystem 2 und einem Abgassammelsystem 3 dargestellt. Von dem Abgassammelrohr 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 Abgassammelrohr 4 mündet in eine Nachverbrennungseinrichtung 9 bekannter Ausgestaltung, mit der NO x reduziert und unverbrannte Bestandteile wie HC und CO oxidiert werden können.
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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 Abgassammelrohr 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.
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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 Zündzeitpunktes 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 41 11 035 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.
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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 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 Größe 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.
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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 Temperaturregeleinrichtungen sind ebenfalls bekannt und brauchen hier nicht näher beschrieben werden.
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Bei der nichtgezeigten 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 Luftbewegungen 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.
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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 einem 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.
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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 Leistungseinbuße 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 dabei ein solches, in Fig. 2 gezeigtes Element jedem 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 Fertigungstoleranzen 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.
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Neuere Ergebnisse zeigen, daß man in einzelnen Fällen schon mit Abgasrückführraten von ca. 5% eine Verbrauchsverbesserung von 3 bis 5% erzielen kann. Durch 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 λ = 1 des verwendeten Betriebsgemisches gerückt. In Fig. 1 ist die Laufruheregeleinrichtung 34 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.