DE3448436C2 - Exhaust gas recycling appts. for diesel engine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach der Gattung des Patentanspruchs 1.

Bei einem solchen, durch die DE-OS 31 45 527 bekannten Verfahren erfolgt eine Steuerung der Abgasrückführmenge entsprechend der Abweichung der zugeführten Ist-Luftmenge von dem Wert der aus verschiedenen Parametern, u. a. der Last, gebildeten Soll-Luftmenge. Die Korrektur der Ist-Luftmenge erfolgt dabei über die Änderung der Abgasrückführmenge bei einer frei saugenden Diesel­ brennkraftmaschine. Die Betätigung des Abgasrückführmengen-Steuer­ organs erfolgt mit Hilfe eines pneumatischen Steuerdruckmittels, das von einer Druckwandlereinrichtung in den Steuerdruckraum des Stell­ motors dieses Steuerorgans eingespeist wird. Die Druckwandlerein­ richtung besteht bei der bekannten Steuereinrichtung aus zwei 2/2-Magnetventilen, über die der Steuerdruckraum entweder mit der Atmosphäre als Referenzdruckquelle oder mit einer Unterdruckquelle verbunden werden kann. Die Ansteuerung der Magnetventile kann dabei getaktet oder analog erfolgen.

Mit einer solchen Steuereinrichtung wird in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine die Menge des rückgeführten Abgases genau eingestellt im Sinne einer Verbrennung mit möglichst hoher Abgas­ rückführrate zur Verminderung der NOx-Schadstoffemission. Dabei wird das Kraftstoff-Luft-Verhaltnis über die mittels der Abgasrückführ­ menge gesteuerte Frischluftmenge bei gegebener Last bzw. Kraftstoff­ menge eingehalten und somit auch der Anteil der Schadstoffe HC und CO sowie der Rußanteil im Abgas klein gehalten.

Eine solche Einrichtung erfüllt aber die übrigen Anforderungen einer selbstzündenden Brennkraftmaschine nicht. Insbesondere wirkt sich eine hohe Abgasrückführrate negativ auf das Laufverhalten der Brenn­ kraftmaschine bei niedriger Last aus. Auch muß bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine ohne besondere Maßnahmen immer mit einer Rußemission im Abgas gerechnet werden und dafür Sorge getragen werden, daß dieser Ruß nicht in die freie Atmosphäre gelangt, wozu Abgasrußfilter einsetzbar sind, die jedoch regelmäßig vom Ruß wieder befreit oder ersetzt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine die Betriebseigenschaften im Niedriglastbereich zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß mit Hilfe der ge­ steuerten Drosselklappe bei sehr geringem Aufwand die Menge der angesaugten Luft innerhalb von Betriebsbereichen der Brennkraft­ maschine, bei denen eine Abgasrückführung nicht erfolgt, in Ab­ hängigkeit von Betriebsparametern gesteuert wird und dabei die Füllung der Brennräume der Brennkraftmaschine reduziert wird. Durch diese gesteuerte Drosselung der Ansaugluftmenge wird die Geräusch­ emission der selbstzündenden Brennkraftmaschine im Leer­ lauf vermindert, der Leerlauf stabilisiert, die Abgastem­ peratur zwecks Abbrennen von in einem im Abgassystem an­ geordneten Rußfilter gesammelten Ruß erhöht und auf Wunsch die Brennkraftmaschine ganz zum Stillstand gebracht.

Durch die in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichneten Lösungen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands der Erfindung gegeben. Diese in Verbindung mit ihren Vor­ teilen sind in der nachfolgenden Beschreibung zusammen mit der Zeichnung näher dargestellt.

Anhand einer schematischen Darstellung wird ein Aus­ führungsbeispiel durch die Fig. 1 erläutert. Dort ist eine Brennkraftmaschine 1 gezeigt mit einem Ansaugsystem 2 und einem Abgassammelsystem 3. Von diesem führt eine Abgasrückführleitung 4 zurück zum Ansaugrohr 9 des An­ saugsystems 2. Von dem Ansaugsystem, das in der Regel aus dem Ansaugrohr 9 und sich diesem anschließenden Ansaugkrümmern besteht, ist stellvertretend nur ein einziges durchgehendes Rohr gezeigt. Die Brennkraftmaschine kann mit Aufladung arbeiten, z. B. mit einem Abgasturbo­ lader, wobei dann in das Abgassammelsystem eine Abgastur­ bine 6 eingesetzt ist und in das Ansaugsystem ein Luft­ verdichter 7 eingesetzt ist, der von der Abgasturbine an­ getrieben wird. Am Eintritt des Ansaugsystems, zumindest stromaufwärts der Einmündung der Abgasrückführleitung in das Ansaugrohr 9 ist ein Luftmengenmesser 8 vorgesehen. Dieser kann dem Luftverdichter vor- oder nachgeschaltet sein. Weiterhin ist im Ansaugrohr 9 des Ansaugsystems stromaufwärts der Einmündung der Abgasrückführleitung ein Drosselorgan 1, zum Beispiel in Form einer Drossel­ klappe, vorgesehen, durch das der Ansaugquerschnitt des Ansaugrohres und damit die der Brennkraftmaschine zugeführ­ te Luftmenge verändert werden kann.

An Eintritt der Abgasrückführleitung in das Ansaugrohr 9 ist ein Abgasrückführ-Steuerorgan 12 vorgesehen, durch dessen Stellung der Durchtrittsquerschnitt der Abgasrück­ führleitung verändert werden kann. Das Abgasrückführ-Steuer­ organ ist in der Zeichnung symbolisch als Tellerventil ge­ zeigt, kann aber auch andere Formen haben. Es ist zu seiner Betätigung mit einem ersten Stellmotor 14 verbunden, der eine bewegliche Wand 15, hier als Stellmembran dargestellt, aufweist, die im Gehäuse des Stellmotors einen ersten Steuerdruckraum 16 einschließt, in dem auch eine die be­ wegliche Wand 15 belastende Rückstellfeder 17 eingespannt ist. Der auf der anderen Seite von der beweglichen Wand 15 begrenzte Druckraum 18 ist mit der Umgebungsluft verbunden, während vom ersten Steuerdruckraum eine Steuerdruckleitung 19 zu einem elektrisch gesteuerten Umschaltventil 21 führt.

Das Drosselorgan 11, das als Luftdrosselorgan zu bezeichnen ist, wird durch einen zweiten Stellmotor 23 betätigt, und ist dazu mechanisch mit einer beweglichen Wand 24 dieses Stellmotors verbunden. Diese bewegliche Wand schließt im Gehäuse des zweiten Stellmotors einen zweiten Steuerdruck­ raum 25 ein, in dem auch eine die bewegliche Wand 24 be­ lastende Rückstellfeder 26 eingespannt ist. Auf der an­ deren Seite der beweglichen Wand grenzt diese an einen Druckraum 27, der dem Atmosphärendruck ausgesetzt ist. Die bewegliche Wand des zweiten Stellmotors ist dabei so mit dem Luftdrosselorgan 11 verbunden, daß dieses unter Einwirkung der Rückstellfeder 26 in Offenstellung ge­ bracht wird. Dagegen ist die bewegliche Wand 15 des ersten Stellmotors 14 so mit dem Abgasrückführmengen-Steuerorgan 12 verbunden, daß dieses unter Einwirkung der Rückstell­ feder 17 in eine die Abgasrückführleitung 14 schließende Stellung gebracht wird.

Vom zweiten Steuerdruckraum 25 führt eine zweite Steuer­ druckleitung 29 zu einem anderen Anschluß des elektrisch gesteuerten Umschaltventils 21. Dieses weist vier Anschlüsse auf, nämlich die bereits erwähnten Anschlüsse zu den Steuer­ druckleitungen 19 und 29 sowie einen Anschluß für eine Steuerdruckzuführleitung 30 und einen Anschluß 31, der mit einer Referenzdruckquelle, im ausgeführten Beispiel mit der unter Atmosphärendruck stehenden Umgebungsluft, verbunden ist. Das elektrisch gesteuerte Umschaltventil weist ein Ven­ tilglied 32 auf, das durch eine Rückstellfeder 33 in eine erste Vorzugsstellung gebracht wird und bei Ansteuerung durch ein elektrisches Steuersignal in eine zweite Stellung gebracht wird. Die Betätigung des Ventilglieds kann dabei n üblicher Weise mit einem Elektromagneten 34 erfolgen oder auf andere elektrisch gesteuerte Weise, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Servomitteln. Das Ventilglied ist dabei so ausgestaltet, daß es in seiner gezeigten Ruhestellung bei nicht erregtem Elektromagnet 34 die Steuerdruckleitung 19 mit dem Anschluß 31 verbindet und die Steuerdruckleitung 29 mit der Steuerdruckzuführleitung 30 verbindet.

Die Steuerdruckzuführleitung 30 zweigt von einer elektrisch gesteuerten Druckwandlereinrichtung 36 ab die hier symbolisch dargestellt ist. Diese kann zum Beispiel durch ein 3/2-Ventil verwirklicht werden oder durch zwei 2/2-Ventile oder ein proportional arbeitendes Ventil ausgeführt sein. Solche Wandler sind allgemein bekannt, z. B. durch die DE-OS 31 14 527 oder die US-PS 41 77 777 und brauchen hier nicht näher be­ schrieben werden. Die elektrisch gesteuerte Druckwandler­ einrichtung, die auch als elektropneumatischer Wandler (EPW) im ausgeführten Beispiel bezeichnet werden kann, weist drei Anschlüsse auf, den bereits oben erwähnten Anschluß der Steuerdruckzuführleitung 30, einen Referenzdruckanschluß 37, der gegebenenfalls unter ,Verwendung einer Drossel 38 zur Umgebungsluft führt, und einen Druckmittelanschluß 39, der über eine zweite Drossel 40 zu einer ersten Druckmittelquelle 41 führt, was eine Unterdruckpumpe sein kann. Ein Betätigungsglied 42, z. B. eine Magnetspule der Druckwandlereinrichtung 36 ist mit einem Steuergerät 44 verbunden, das aus einer ausgewählten Anzahl von Motor­ parametersignalen wie Motordrehzahl, Kraftstoffmenge und Luftmenge mit entsprechender Bewertung Steuersignale an das Betätigungsglied 42 abgibt. Dieses kann z. B. getaktet mit variabler Impulsbreite angesteuert werden und dabei abwechselnd den Referenzdruckanschluß 37 oder den Druck­ mittelanschluß 39 mit der Steuerdruckzuführleitung 30 ver­ binden. In anderer Ausgestaltung kann jedoch diese Steue­ rung auch analog durch Veränderung der Querschnitte von Referenzdruckanschluß und Druckmittelanschluß durchge­ führt werden. In der Zeichnung ist auf der Druckwandler­ einrichtung das Funktionsdiagramm dieser Einrichtung dar­ gestellt, aus dem hervorgeht, daß bei fehlender Strombe­ aufschlagung des Betätigungsglieds 42 der vom Druckmittel­ anschluß 39 zugeführte Unterdruck p_u an die Steuerdruck­ zuführleitung 30 weitergegeben wird, während der Referenz­ druckanschluß verschlossen ist. Bei höchster Strombeauf­ schlagung ist umgekehrt der Referenzdruckanschluß ständig geöffnet und der Druckmittelanschluß 39 ständig verschlos­ sen. Durch die Drosseln 38 und 40 kann die Funktionscharak­ teristik angepaßt werden.

Von dem Steuergerät 44 wird weiterhin das elektrisch ge­ steuerte Umschaltventil 21 angesteuert. Das Steuergerät 44 unterscheidet aufgrund der ihm eingegebenen Steuersignale der Motorparameter zwischen zwei Betriebszuständen, einem ersten Betriebszustand, bei dem eine Abgasrückführung (ARF) vorgesehen ist, und einen zweiten Betriebszustand, bei dem eine Abgasrückführung unterbunden ist. Dieser zweite Be­ triebszustand entspricht unter anderem dem Leerlauf der Brennkraftmaschine ein Zustand bei dem ein Abbrennen des Rußfilters 45 oder ein Abstellen der Brennkraftmaschine erforderlich ist. Diese Unterscheidung kann beispielsweise über ein Lastsignal bzw. über ein Signal der der Brenn­ kraftmaschine zugeführten Kraftstoffmenge oder andere re­ präsentativen Parameter wie Druckabfall am Rußfilter er­ folgen.

In der in der Fig. 6 gezeigten Stellung des Umschaltventils 21 befindet sich die Brennkraftmaschine in dem genannten zwei­ ten Betriebszustand. Im ersten Betriebszustand ist das Ven­ tilglied 32 zur Feder 33 hin verschoben und es steht die Steuerdruckleitung 19 mit der Steuerdruckzuführleitung 30 In Verbindung, während der zweite Steuerdruckraum 25 über die zweite Steuerdruckleitung 29 und den Anschluß 31 be­ lüftet ist. In diesem Zustand herrscht im zweiten Steuer­ druckraum 25 atmosphärischer Druck und derselbe Druck wie im Druckraum 27, so daß die bewegliche Wand 24 unter Ein­ wirkung der Stellkraft der Feder 26 die Luftdrosselklappe 11 in ganz geöffnete Stellung bringt. Der erste Steuer- Druckraum 16 des ersten Stellmotors 14 hingegen ist mit dem variablen Steuerdruck beaufschlagt, der von der Druck­ wandlereinrichtung 36 abgegeben wird. Der jetzt frei sau­ genden Brennkraftmaschine wird sowohl Luft als auch Abgas in gesteuerter Menge zugeführt, wobei mit Hilfe der Abgas­ mengensteuerung der Luftanteil des in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingebrachten Gases verändert wird. Aus dem vom Luftmengenmesser 8 abgegebenen Luftmengensignal und dem Kraftstoffmengensignal wird mit Hilfe des Steuergeräts 44 ein bestimmtes Kraftstoff-Luft-Verhältnis eingestellt durch Änderung der Abgasrückführrate. Die Brennkraftma­ schine arbeitet ständig mit kompletter Füllung, wobei maximale Mengen an rückgeführtem Abgas zugeführt werden können, da die Restfüllung der Brennräume mit Abgas er­ folgt. Bekannterweise wirkt sich die Rückführung von Ab­ gasen im Sinne einer Senkung der Brennraumspitzentemperaturen und somit im Sinne einer Reduzierung der Anteile der NO_x- Emission im Abgas aus. Mit Hilfe von gespeicherten Kenn­ feldern und den Zugangsparametern zu diesen Kennfeldern, wie die Drehzahl, die Kraftstoffmenge, die Temperatur und andere, kann für den gesamten Betriebsbereich mit Abgas­ rückführung die Menge exakt gesteuert werden. Der Tempera­ turfaktor berücksichtigt dabei insbesondere auch die kalte Brennkraftmaschine und die dabei notwendigen Kraftstoff- Luft-Verhältnisse für einen störungsfreien Betrieb der Brennkraftmaschine.

In dem obenerwähnten zweiten Betriebszustand wird die Ab­ gasrückführung unterbrochen, da in bestimmten Bereichen der Brennkraftmaschine diese mit vermindert er Füllung der Motorzylinder arbeiten soll. Insbesondere im Leerlaufbe­ trieb ist für einen ruhigen Lauf der Brennkraftmaschine eine geringe Gasfüllung der Motorzylinder vorteilhaft. Außerdem steigt mit geringer Zylinderfüllung die Abgas­ temperatur, so daß der Rußfilter leichter abbrennt. In diesem zweiten Betriebszustand wird das elektrisch ge­ steuerte Umschaltventil 21 stromlos geschaltet und es nimmt das Ventilglied 32 die in der Figur gezeigte Stellung ein. In dieser Stellung ist der erste Steuerdruckraum 16 mit der Umgebungsluft verbunden und befindet sich auf dem­ selben Druckniveau wie der Druckraum 18, so daß die beweg­ liche Wand 15 unter Einwirkung der Rückstellfeder 17 das Abgasrückführ-Steuerorgan 12 in dessen Schließstellung be­ wegt. Zugleich wird jedoch der von der Druckwandlereinrich­ tung 36 gebildete Steuerdruck dem zweiten Steuerdruckraum 25 zugeleitet und jetzt durch entsprechende Modulierung des Steuerdrucks mit Hilfe des Steuergeräts 44 die geforderte Position der Luftdrosselklappe 11 mit Hilfe dieses Steuer­ drucks eingestellt. Entsprechend den in das Steuergerät 44 eingegebenen Parametern wird die Ansaugluft zur Verminderung des Leerlaufgeräusches im Leerlaufbetriebsbereich der Brennkraftmaschine mehr oder weniger gedrosselt. Die Luft­ drosselung wirkt sich auf den erreichten Kompressionsend­ druck in den Brennräumen der Brennkraftmaschine aus und ergibt einen vibrationsärmeren Motorlauf. Die Brennkraft­ maschinendrehzahl kann als Rückmeldung in eine Regelschlei­ fe zur Steuerung der Luftdrosselklappe eingegeben werden.

Innerhalb des zweiten Betriebszustandes, bei dem keine Abgasrückführung erfolgt, kann auch durch Drosselung mit der Luftdrosselklappe 11 die Abgastemperatur erhöht werden, was dazu ausgenutzt wird, ein im Abgassystem angeordnetes Rußfilter 49 freizubrennen. Bei dem im Abgas von selbst­ zündenden Brennkraftmaschinen vorhandenen hohen Rußanteil setzen sich die Poren von Filtern sehr schnell mit abgeson­ dertem Ruß zu, was den Rückdruck im Abgassystem erhöht. Solche Filter können entweder ausgetauscht werden oder es kann der sich darin gesammelte Ruß verbrannt werden, ohne dar ein Austausch notwendig ist. Die letztgenannte Methode hat dabei den erkennbaren Vorteil der einfacheren Warnung. Zur Entfernung des sich im Filter angesammelten Rußes kann nun innerhalb des zweiten Betriebsbereiches mit Hilfe der Drosselklappe 11 die Abgastemperatur so erhöht werden, daß der Ruf verbrannt wird. Vorteilhaft geschieht dies auch unter Einsatz von katalytisch wirksamen Teilen des Filters, um die Entzündungstemperatur herabzusetzen.

Als Steuerparameter kann ein Zeitfaktor in Verbindung mit dem Vorliegen des zweiten Betriebszustandes oder im selben Sinn die Rückdruckerhöhung bzw. der Druckabfall am Filter verwendet werden. Bedingung ist ferner, daß die Brennkraft­ maschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat.

Soll die Brennkraftmaschine abgestellt werden, so kann dies auch gemäß der erfindungsgemäßen Lösung vorteilhaft durch die Luftdrosselklappe 11 geschehen, die dann in Schließ­ stellung gebracht wird. Dazu wird das elektrisch gesteuerte Umschaltventil 2 stromlos geschaltet, so daß die Steuer­ druckleitung 29 mit der Druckwandlereinrichtung 36 verbunden ist. Auch diese wird stromlos geschaltet, so daß der volle Unterdruck der Druckquelle 41 über das Umschaltventil 21 in den zweiten Steuerdruckraum 25 geleitet wird, was ein Schlie­ ßen der Luftdrosselklappe 11 zur Folge hat. Dasselbe geschieht auch bei stromlosem oder stromlos geschaltetem geschaltetem Steuergerät 44. Diese Eigenschaft gewährleistet ein sicheres Abstellen der Brennkraftmaschine auch bei Auftreten eines Schadensfalles. Beim Start der Brennkraftmaschine wird da­ durch, daß in diesem Zeitpunkt die Unterdruckpumpe 41 noch nicht betrieben ist, auch noch kein Unterdruck bereitge­ stellt, der ein Schließen der Drosselklappe bewirken könnte.

Claims (6)

1. Verfahren zur Steuerung von den Brennräumen einer selbstzündenden Brennkraftmaschine zugeführten Luft- und Abgasmengen mit einer in das Luftansaugsystem (2) einmündenden Abgasrückführleitung (4), deren Durchtrittsquerschnitt in Abhängigkeit von Betriebsparametern derart gesteuert wird, daß die den Brennräumen der Brennkraft­ maschine zugeführte Luftmenge durch die Steuerung der zugeführten Abgasrückführmenge verändert wird und dabei ein bestimmtes Verhält­ nis von Luftmenge zur in die Brennräume der Kraftmaschine einge­ brachten Kraftstoffmenge eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Abgasrückführmenge in einem ersten Betriebs­ bereich der Brennkraftmaschine erfolgt und daß ein zweiter Betriebs­ bereich der Brennkraftmaschine einstellbar ist, indem in einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine mittels eines Drossel­ organs im Luftansaugsystem stromaufwärts der Einmündung der Abgas­ rückführleitung die angesaugte Luftmenge der zugeführten Kraftstoff­ menge angepaßt wird und der Durchtrittsquerschnitt der Abgasrück­ führleitung verschlossen wird, um die Brennkraftmaschine mit ver­ minderter Füllung zu betreiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Betriebsbereich die Steuerung der Luftmenge durch das Drosselorgan in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine zur Erzielung eines geräuscharmen Laufes im Leerlaufbetrieb der Brenn­ kraftmaschine erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Luftmenge in Abhängigkeit vom Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Luftmenge in Abhängigkeit von Parametern erfolgt, die für eine Sättigung eines Abgasrußfilters im Abgassystem der Brenn­ kraftmaschine kennzeichnend sind zur Erhöhung der Abgas­ temperatur durch die in dem Rußfilter gesammelter Ruß zur Ver­ brennung kommt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Parameter für die Sättigung des Abgasrußfilters eine Abgasrück­ druckerhöhung oder ein Druckabfall am Abgasrußfilter erfaßt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Parameter für die Sättigung des Abgasrußfilters eine vorgegebene Betriebsdauer der Brennkraftmaschine erfaßt wird.