DE3634163A1 - Abgas-rezirkulationssystem fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

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.