DE3634163A1 - Abgas-rezirkulationssystem fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents
Abgas-rezirkulationssystem fuer eine brennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein
Abgas-Rezirkulations-Steuersystem für eine Brennkraftmaschine
und insbesondere auf Verbesserungen eines
Abgas-Rezirkulations-Feedback (Rückkopplungs)-Steuersystem
für eine Brennkraftmaschine mit einem Sauerstoffsensor
zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration eines Gemischgases,
d.h. eines Gases aus Einlassluft, die mit rezirkuliertem
Abgas gemischt ist, wodurch das Mischungsverhältnis des
rezirkulierten Gases genau entsprechend dem Ausgangssignal
des Sauerstoffsensors gesteuert ist.
Es ist in der Technik ein System bekannt, das allgemein
als "Abgas-Rezirkulation" (abgekürzt EGR - exhaus gas
recirculation) bezeichnet wird, wobei ein Teil des Abgases
auf die Einlasseite der Brennkraftmaschine gebracht wird,
um die Stickstoffoxide (nachfolgend als NOx bezeichnet)
zu reduzieren, die gefährliche und unerwünschte Bestandteile
des Abgases einer Brennkraftmaschine darstellen. Da die
Strömung des rezirkulierten Abgases die Leistungsfähigkeit
der Brennkraftmaschine und den Brennstoffverbrauch etc. der
Brennkraftmaschine beeinträchtigt, und zwar in Ergänzung
zur Reduzierung des Gehaltes an NOx, ist es wünschenswert,
dass das Abgas entsprechend dem Betriebszustand der
Brennkraftmaschine genau gesteuert wird.
Wenn jedoch ein EGR-Steuerventil zum Steuern der Strömung
des Abgases für eine lange Zeit verwendet wird, so lagert
sich eine grosse Menge an Kohlenstoff, das im Abgas
enthalten ist, am EGR-Steuerventil ab, so dass die
Strömung des Abgases in der Anfangsstufe entsprechend dem
Öffnungsgrad des Rezirkulationssteuerventils geändert
wird. Daraus resultiert eine ungenaue Steuerung. Es kann
ein Feedback-Steuersystem vorgesehen werden und zwar mit
einem Sauerstoffsensor zum Feststellen der Sauerstoffkonzentration
im Gemischgas aus Einlassluft und rezirkuliertem Abgas,
wodurch das rezirkulierte Abgas entsprechend dem Ausgangssignal
des Sauerstoffsensors feedback-gesteuert wird, da die
Sauerstoffkonzentration abhängig ist vom Mischungsverhältnis
des Abgases.
Für den Sauerstoffsensor zum Feststellen der
Sauerstoffkonzentration des Gemischgases wird ein
Sauerstoffsensor des Pumpentyps verwendet, wie er in der
US-PS 45 78 172 beschrieben ist. Der Sauerstoffsensor dieser
Art besteht aus einer Sauerstoff-Ionen-Konduktiv-
Festelektrolyt-Platte und ist mit einem Sauerstoffpumpenelement
versehen. Gegenüber dem Sauerstoffpumpenelement befindet
sich ein den elektrischen Strom erfassendes Element mit
einem Spalt zwischen beiden. Ausserdem ist eine Luftkammer
zum Einführen atmosphärischer Luft als Bezugsgas für
das Pumpenelement vorgesehen. Da das Pumpenelement
Sauerstoff in den Spalt auspumpt, wird ein Unterschied
der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Gemischgas im
Spalt und der atmosphärischen Luft in der Luftkammer
erzeugt, so dass das Erfassungselement einen elektrischen
Strom entsprechend einem solchen Unterschied erzeugt,
wodurch der Sauerstoffsensor die Strömungsrate des
rezirkulierten Abgases feststellt.
In diesem Fall ändert sich der Druck innerhalb der
Einlassrohrleitung, in den das Gemischgas strömt, entsprechend
dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Ein Druck
innerhalb der Luftkammer ändert sich jedoch nicht, da
hier atmosphärische Luft in die Kammer eingeführt wird.
Für den Fall des Erfassens der Sauerstoffkonzentration
des Gemischgases durch einen derartigen Sensor mit der
zuvor erwähnten Luftkammer ergibt sich, wenn diese
Druckänderung verursacht wird, ein Feststellfehler durch
eine Differenz zwischen dem Druck in der Einlassrohrleitung
und dem in der Luftkammer.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein EGR-Steuersystem
für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, das mit höherer
Genauigkeit das rezirkulierte Abgas durch ein genaueres
Erfassen einer Sauerstoffkonzentration des durch die
Einlassrohrleitung strömenden Gemischgases steuert.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Bezugsgas verwendet,
das im wesentlichen denselben Druck hat wie der des
Gemischgases selbst, obwohl das Bezugsgas frei von Abgas
ist und so in die Luftkammer des Sauerstoffsensors eingeführt
wird.
Eine Vorrichtung, die dies bewirkt, ist nachfolgend
eingehend beschrieben.
Entsprechend dem konstruktiven Aufbau der erfindungsgemässen
Steuerung kann ein EGR-Steuersystem realisiert werden,
das eine genaue, d.h. eine genauere Steuerung des
rezirkulierten Abgases ermöglich, und zwar durch Eliminieren
des Feststellungsfehlers des Sauerstoffsensors aufgrund
des Unterschiedes im Druckwechsel zwischen dem Bezugsgas
in der Luftkammer und dem durch die Einlassrohrleitung
strömenden Gemischgases.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen
rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Anordnung einer bevorzugten
Ausführungsform eines
EGR-Steuersystems für eine
Brennkraftmaschine der Erfindung,
und
Fig. 2 die Anordnung einer anderen
bevorzugten Ausführungsform.
In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine (1) mit einer
Einlassleitung (2) versehen, die mit einem Drosselventil
(3) versehen ist. Die Einlassleitung (2) ist mit einem
Sauerstoffsensor (4) ausgerüstet, der dem Erfassen der
Sauerstoffkonzentration einer Strömung von Gemischgas
durch die Einlassleitung (2) bestimmt ist. Ausserdem befindet
sich in der Einlassleitung ein Brennstoffeinspritzventil
(6) für die Brennstoffzufuhr in die Einlassleitung (2).
Der Sauerstoffsensor (4) besteht aus einer
Detektorvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration in
Form einer Festelektrolyt-Sauerstoffpumpe. Diese Pumpe
weist eine Kammer (5) auf, in die ein Bezugsgas eingeführt
wird. Für den Sauerstoffsensor (4) kann beispielsweise
ein solcher Sensor verwendet werden, wie er in der US-PS
45 78 172 beschrieben ist. Die Brennkraftmaschine (1)
ist ebenso mit einer Abgasleitung (7) für das Abgeben der
Abgase versehen. Ein EGR-Steuerventil (8) befindet sich
zwischen Rohrleitungen (9 a, 9 b), die die Abgasleitung
(7) mit der Einlassleitung (2) verbinden. Der Öffnungsgrad
des Steuerventils (8) wird elektromagnetisch so gesteuert,
dass die Strömungsrate des Abgases, die von der
Abgasleitung (7) zur Einlassleitung (2) rezirkuliert, auf
einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Die
Brennkraftmaschine ist ebenso mit einem Drehzahlsensor
(10) versehen, um die Drehzahl der Brennkraftmaschine zu
erfassen. Ausserdem ist ein Drucksensor (11) vorgesehen,
um den Druck in der Einlassleitung (2) zu erfassen. Eine
elektronische Steuereinheit (12) zum Antreiben des
Steuerventils (8) nimmt elektrische Eingabesignale vom
Drehzahlsensor (10), vom Drucksensor (11) und vom
Sauerstoffsensor (4) auf und treibt das EGR-Steuerventil
(8) entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine
(1) an, bestimmt durch die vorgenannten Eingabesignale,
so dass die Strömungsrate des rezirkulierten Abgases auf
den gewünschten Wert gesteuert wird. Eine Öffnung (13)
zum Rezirkulieren des Abgases und eine Öffnung (14 a) zum
Einführen des Bezugsgases in die Luftkammer (5) des
Sauerstoffsensors (4) sind in der Einlassrohrleitung (2)
vorgesehen. Die Öffnung (14 a) befindet sich zwischen dem
Drosselventil (3) und der Öffnung (13), so dass die
Einlassluft, die nicht mit dem Abgas gemischt wird, in die
Luftkammer (5) des Sauerstoffsensors (4) eingeführt werden
kann. Folglich kann die Einlassluft als Bezugsgas, welches
einen Druck hat, der im wesentlichen gleich dem Druck
des Gemischgases in der Nähe des Sauerstoffsensors (4)
in der Einlassrohrleitung (2) hat, in die Luftkammer (5)
des Sauerstoffsensors eingeführt werden, was über eine
Führungsrohrleitung (14) erfolgt.
Der Betrieb des EGR-Steuersystems für eine Brennkraftmaschine
gemäss der Erfindung wird nun beschrieben.
Wenn die Brennkraftmaschine angelassen wird, so wird
Einlassluft von der atmosphärischen Luft über einen
Luftreiniger (nicht dargestellt), das Drosselventil (3)
und die Einlassleitung (2) in die Brennkraftmaschine (1)
eingeführt.
Andererseits wird rezirkuliertes Abgas von der
Abgasrohrleitung (7) durch die Rohrleitung (9 a), das
Steuerventil (8), die Rohrleitung (9 b) und die Öffnung
(13) in die Einlassrohrleitung (2) eingeführt und mit der
Einlassluft gemischt. Dann wird die Strömung des
rezirkulierten Abgases durch einen Öffnungswinkel des
Steuerventils (8) eingestellt. Das Mischungsverhältnis
an Abgas in der Einlassluft wird aus der
Sauerstoffkonzentration durch den Sauerstoffsensor (4)
erfasst.
Der Ausgang des Sensors (4) wird der elektronischen
Steuereinheit (12) zugeführt, die die vorbestimmte EGR-Rate
entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine
(1) durch die Ausgangssignale des Drehzahlsensors (10)
und des Drucksensors (11) einstellt und den Ausgang des
Sensors (4) mit dem zuvor voreingestellten Wert vergleicht.
Die elektronische Steuereinheit (12) stellt dann den
Öffnungswinkel des Steuerventils (8) in Abhängigkeit vom
verglichenen Resultat ein, so dass das Ausgangssignal des
Sensors (4) durch Steuerung des rezirkulierten Abgases
an den gewünschten Wert angepasst werden kann.
Da hierauf die Einlassluft in der Einlassrohrleitung (2)
in die Luftkammer (5) als Bezugsgas eingeführt wird,
wird der Druckunterschied zwischen dem Bezugsgas in der
Luftkammer (5) des Sauerstoffsensors (4) und des
Gemischgases in der Einlassrohrleitung (2) im wesentlichen
ausgelöscht, wodurch eine genaue Steuerung des rezirkulierten
Abgases realisiert werden kann, weil der Feststellungsfehler
des Sauerstoffsensors (4) durch den Druckunterschied
ausgelöscht wird.
Während in der vorstehenden Beschreibung das Bezugsgas der
Luftkammer (5) des Sauerstoffsensors (4) durch die
Führungsrohrleitung (14) eingeführt wird, ist es ebenso
möglich, eine andere Anordnung zu verwenden, und zwar
entsprechend der zweiten Ausführungsform der Fig. 2.
In der Figur wird eine Einlassrohrleitung (2) der
Brennkraftmaschine (1) aufgeteilt in einen ersten
Einlassweg (16) und einen zweiten Einlassweg (17), so dass
der zweite Einlassweg (17) mit einer Öffnung (13) zum
Einführen des Abgases ausgerüstet ist, so dass die durch
den zweiten Einlassweg (17) strömende Einlassluft mit
dem Abgas gemischt wird.
Ein Sauerstoffsensor (4) wird dann an einer Wand (18)
zwischen dem ersten Einlassweg (16) und dem zweiten
Einlassweg (17) angebracht, wobei eine Luftkammer (5) mit
dem ersten Einlassweg (16) verbunden ist, wodurch die
Sauerstoffkonzentration im Gemischgas, das in dem zweiten
Einlassweg (17) strömt, festgestellt wird.
Daraufhin werden zwei Drosselventile (19, 20) jeweils
im ersten Einlassweg (16) und im zweiten Einlassweg (17)
angebracht, und zwar derart, dass sie sich gemeinsam
bewegen.
Es ist auch möglich, ein Drosselventil in einem gemeinsamen
Strömungsweg stromauf der Einlasswege (16, 17) vorzusehen.
Da die Einlassluft, die im wesentlichen denselben Druck
hat wie die des in der Einlassrohrleitung strömenden
Gemischgases und frei von Abgas ist, als Bezugsgas in den
Sauerstoffsensor eingeführt wird, um die Sauerstoffkonzentration
im Gemischgas zu testen, kann eine genaue Steuerung des
rezirkulierten Abgases realisiert werden, da der
Feststellungsfehler des Sauerstoffsensors, verursacht
durch den Druckunterschied in der Einlassrohrleitung,
ausgelöscht wird.
Claims (3)
1. Abgas-Rezirkulationssystem für eine Brennkraftmaschine
mit einer Einlassrohrleitung (2) zum Einführen von
Einlassluft zur Brennkraftmaschine, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Drosselventil
(3) in der Einlassrohrleitung (2) angebracht ist, um
die Strömungsrate der in die Einlassrohrleitung
strömenden Einlassluft zu steuern, dass eine
Abgasrohrleitung (7) zum Abgeben des Abgases aus der
Brennkraftmaschine vorgesehen ist, dass eine Rohrleitung
(9 a, 9 b) zum Rezirkulieren des Abgases aus der
Abgasrohrleitung (7) in die Einlassrohrleitung (2)
stromab des Drosselventils (3) eine Öffnung (13)
aufweist, so dass das Abgas dort mit der Einlassluft
gemischt wird, dass ein Abgas-Rezirkulations-Steuerventil
(8) vorgesehen ist, um die Strömungsrate des rezirkulierten
Abgases zu steuern, dass ein Sauerstoffsensor (4)
an der Einlassrohrleitung (2) angebracht ist, um die
Sauerstoffkonzentration des durch die Einlassrohrleitung
(2) strömenden Gemischgases festzustellen, dass eine
Steuereinheit (12) vorgesehen ist, um das Steuerventil
entsprechend dem Ausgangssignal des Sauerstoffsensors
derart zu steuern, dass eine Abgas-Rezirkulationsrate
auf einen gewünschten Wert einstellbar ist, und dass
Mittel (14, 14 a) vorgesehen sind, um Luft als
Bezugsgas für den Sauerstoffsensor zu liefern, die im
wesentlichen denselben Druck hat wie den des
Gemischgases in der Einlassrohrleitung und frei von
rezirkuliertem Abgas ist.
2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die genannten
Mittel zum Einführen eines Bezugsgases aus einer
Führungsrohrleitung (14) bestehen, durch die Einlassluft
als Bezugsgas in eine Luftkammer (5) des
Sauerstoffsensors (4) einführbar ist, und dass eine
Öffnung (14 a) dieser Rohrleitung zwischen dem
Drosselventil (3) und der Eintrittsöffnung (13) für
das rezirkulierte Abgas an der Einlassrohrleitung (2)
angeordnet ist.
3. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Einlassrohrleitung
(2) in einen ersten Strömungsweg (16) für die
Einlassluft und einen zweiten Strömungsweg (17) für
das Gemischgas unterteilt ist, und dass der Sensor
(4) in einer Wand (18) zwischen diesen beiden
Strömungswegen (16 17) angebracht ist, so dass
eine Luftkammer (5) des Sensors mit dem ersten
Strömungsweg in Verbindung steht.
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