DE4300337A1 - Restgassteuerung bei Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren respektive eine Vorrichtung zur Steue­ rung des Restgasanteils am Frischgemisch von Hubkolben-Brennkraftmaschinen entspre­ chend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die betriebsgerechte Steuerung der dem Kraftstoff-Luftgemisch zugefügten Restgasmenge stellt ein wesentliches Potential zur Verbesserung des Verbrauchs-, Abgas- und Drehmo­ mentverhaltens instationär betriebener Hubkolben-Brennkraftmaschinen dar. Dies gilt insbe­ sondere für weite Bereiche des drosselgesteuerten Ottomotors. Im Leerlauf strömt wäh­ rend der Ventilüberschneidungsphase, aufgrund der prinzipbedingten starken ansaugseitigen Drosselung und dem daraus resultierenden Druckgefälle zwischen Auslaß- und Einlaßkanal, verhältnismäßig viel Abgas zurück ins Ansaugsystem und wird dem Frischgemisch beige­ fügt. Das führt jedoch zu größeren zyklischen Verbrennungsschwankungen, höheren HC- Emissionen und schränkt die Absenkung der Leerlaufdrehzahl ein. Im mittleren Lastbereich nehmen, aufgrund der ansaugseitigen Entdrosselung, die Druckdifferenz zwischen Abgas- und Ansaugseite, und damit auch der rückströmende Restgasanteil ab. Demgegenüber wir­ ken sich in diesem Betriebsbereich höhere Abgasanteile günstig auf Verbrauch und Stick­ oxidemissionen aus. Bei Vollast sind dagegen wiederum minimale Restgasanteile am Frisch­ gemisch vorteilhaft, da hierdurch einerseits die Klopfneigung verringert und darüberhinaus die Füllung verbessert werden. Aus der Kenntnis dieser Zusammenhänge werden zuneh­ mend Technologien entwickelt und eingesetzt, mit deren Hilfe der Restgasanteil am Frisch­ gemisch den jeweiligen Anforderungen entsprechend angepaßt werden kann. Zum Stand der Technik zählen hierbei Abgasrückführventile, die eine zusätzliche, im Querschnitt steuerbare Verbindung zwischen Auslaß- und Ansaugsystem herstellen. Als Fördermechanismus dient entweder die auf die ottomotorische Drosselregelung zurückzuführende Druckdifferenz zwischen Auslaß- und Einlaßseite oder eine zusätzliche Förderpumpe (Dieselmotor). Dane­ ben werden zunehmend Nockenwellenversteller zur relativen Verdrehung der Nockenwellen gegenüber der Kurbelwelle in Fahrzeugmotoren eingesetzt. Durch Verändern der Ventil­ überschneidungszeit ist mit diesen Systemen ebenfalls eine begrenzte Steuerung des Rest­ gasanteils möglich. Da die genannten Systeme jedoch im wesentlichen das bei der Drossel­ regelung anfallende Druckgefälle nutzen, sind sie bei drosselfreier Laststeuerung ohne zu­ sätzliche Maßnahmen wie zum Beispiel eine zusätzliche Förderpumpe, nicht anwendbar. Im Zusammenhang mit einer Lastregelung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Ottomo­ toren, mittels variabler Ventilsteuerzeiten wird in der Fachliteratur und in Patent- bzw. Offenlegungsschriften die Möglichkeit der Restgassteuerung über variable Auslaß-Schließt- und Einlaß-Öffnet-Steuerzeiten beschrieben. Bei Systemen, die eine drosselfreie Laststeue­ rung an Ottomotoren alleine über variable Einlaß-Schließt-Steuerzeiten realisieren und bei denen variable Ventilüberschneidungszeiten zusätzlichen, vom Kosten/ Nutzen-Verhältnis her kaum vertretbaren Aufwand bedeuten, müssen andere Lösungen gefunden werden, will man das Potential einer betriebspunktabhängigen Optimierung des Restgasanteils am Kraftstoff-Luftgemisch nutzen. Hierbei soll der dafür erforderliche Aufwand in einer ver­ nünftigen Relation zum Nutzen stehen und es soll möglichst wenig zusätzlicher Bauraum in Anspruch genommen werden. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung sollte die vorab be­ schriebene Abhängigkeit des optimalen Restgasanteils von der Last darstellen können. Ins­ besondere soll das Restgas von niedrigen Anteilen im leerlaufnahen Betriebsbereich bei zu­ nehmender Last zunächst deutlich angehoben werden können, um dann zur Vollast hin wie­ der auf ein Minimum reduziert zu werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung für Hubkolbenmotoren, insbesondere aber für Ottomotoren mit drosselfreier Laststeuerung über variable Einlaß-Schließt-Steuerzeiten bei nahezu unveränderter Ventil­ überschneidung derart auszubilden, daß der intern zurückgeführte Restgasanteil am Frisch­ gemisch in der beschriebenen Abhängigkeit vom Betriebspunkt verändert werden kann.

Diese Aufgabe ist durch das Verfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Bei einer ungedrosselten Laststeuerung von Motoren, beispielsweise über variable Einlaß-Schließt-Steuerzeiten, steht die Druckdiffe­ renz zwischen Einlaß- und Auslaßseite als zusätzlicher Parameter zur Restgassteuerung zur Verfügung. Da der Hubkolbenmotor während der Ladungswechselphase als Pumpe arbeitet, die über die geöffneten Einlaßventile Frischgemisch, im wesentlichen bestehend aus Kraft­ stoff und Luft, ansaugt und anschließend die verbrannte Ladungsmenge über die dann geöff­ neten Auslaßventile wieder ausschiebt, bietet es sich an, diesen Vorgang für die Erzeugung der zur Steuerung des Restgasanteils benötigten Druckdifferenz zu nutzen. Die hierfür er­ forderlichen Druckdifferenzen sind gemessen an den Druckverlusten bei der Laststeuerung durch Drosselung vergleichsweise niedrig und erfordern daher auch kaum zusätzliche La­ dungswechselarbeit. Bei entsprechender Dauer der Ventilüberschneidung (Einlaß-Öffnet vor Auslaß-Schließt), welche durch den Wegfall der für eine Laststeuerung erforderlichen hohen Drosselung vergrößert werden kann, genügen Druckdifferenzen von 0,05 bis 0,1 bar zwi­ schen Auslaß- und Einlaßseite, um maximale Restgasanteile von 25 bis 30% im mittleren Lastbereich zu erzielen. Zum Vergleich, bei der Laststeuerung über Drosselung treten Druckdifferenzen von maximal etwa 0,7 bar im Leerlaufbereich auf. Die zur Restgassteue­ rung erforderlichen Druckdifferenzen können sinnvollerweise durch einen saugseitigen Un­ terdruck und/oder einen abgasseitigen Gegendruck erzielt werden. Dadurch kann in der Phase, da das Einlaßventil schon geöffnet und das Auslaßventil noch offen ist Abgas vom vorangegangenen Zyklus in Brennraum und Einlaßkanal zurückströmen und nach Abschluß des Ladungswechsels am nächsten Verbrennungszyklus teilnehmen. Die Steuerung der Druckdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßseite erfolgt entsprechend Patentanspruch 2 zweckmäßigerweise über ein gezieltes Verändern der Strömungsquerschnitte im Ansaug- und/oder Auslaßsystem. Entsprechend der eingangs beschriebenen Charakteristik des opti­ malen Restgasgehaltes am Frischgemisch sollte der Strömungsquerschnitt nach Patentan­ spruch 3 in Abhängigkeit der Motorlast oder der Gaspedalstellung gesteuert werden kön­ nen. Insbesondere sollte im leerlaufnahen Betriebsbereich abhängig von der Drehzahl und vom Volumenstrom ein ausreichend großer Rohrquerschnitt für niedrige Druckdifferenzen und damit niedrige Restgasanteile freigegeben werden. Damit sollen vor allem eine gute Laufruhe des Motors, niedrige HC-Emissionen und niedrige Leerlaufdrehzahlen sicherge­ stellt werden. Im mittleren Lastbereich sollten die Strömungsquerschnitte soweit reduziert werden, daß über entsprechend große Druckdifferenzen die gewünscht hohen Restgasantei­ le zurückgeführt und dem Frischgemisch beigefügt werden, um niedrigen Verbrauch und niedrige Stickoxidemissionen zu erzielen. Bei Vollast sind wiederum maximale Rohrquer­ schnitte für niedrige Strömungswiderstände und damit niedrige Druckdifferenzen ange­ strebt, um so die Voraussetzungen für hohe Füllungen und niedrige Klopfneigung zu schaf­ fen.

Als Vorrichtung zur Steuerung des Strömungsquerschnitts im Ansaug- oder Abgassystem sind unterschiedliche Mechanismen vorstellbar. Sehr einfache Systeme, die den vorab be­ schriebenen Anforderungen genügen, sind in den Patentansprüchen 4 bis 7 beschrieben. Bei der Vorrichtung nach Patentansprüchen 4 und 5 wird eine Klappe im Ansaug- oder Abgas­ system direkt oder indirekt vom Gaspedal derart betätigt, daß die vorab beschriebene Cha­ rakteristik des Restgasgehaltes erreicht wird. Dies geschieht nach Patentanspruch 5 zweckmäßigerweise derart, daß die Klappe von einem Hebel mit Längsnut verdreht wird. In dieser Längsnut ist der Bolzen eines zweiten, vom Gaspedal betätigten und um eine feste Achse drehbaren Hebels geführt. Auf diese Weise kann die Klappe bei einer beliebigen Gaspedal­ stellung in die Position gebracht werden, bei der der engste Rohrquerschnitt freigegeben wird, ohne daß die Klappe bei linearer Gaspedalverstellung die komplett geschlossene Stel­ lung durchlaufen muß. Damit ist, bei entsprechender geometrischer Auslegung des Versteil­ mechanismus, die oben beschriebene Charakteristik der Restgassteuerung ausreichend gut in Abhängigkeit des Gaspedals realisierbar.

Eine weitere mögliche Vorrichtung zur Restgassteuerung in der gewünschten Abhängigkeit ist in den Patentansprüchen 6 und 7 beschrieben. Eine in der Hauptströmungsrichtung ex­ zentrisch gelagerte Stauklappe wird vom angesaugten Frischgemischvolumenstrom bzw. vom ausgeschobenen Abgasvolumenstrom gegen die Rückstellkraft einer Feder ausgelenkt. Ohne zusätzliche Maßnahmen ist so eine konstante Druckdifferenz bei unterschiedlichen Volumenströmen realisierbar. Um aber die Druckdifferenz entsprechend den Anforderungen des Motors in der oben beschriebenen Form zu ändern, muß die Rückstellkraft der Feder in Abhängigkeit der Motorlast veränderbar sein. Dies geschieht nach Patentanspruch 7 derart, daß der eine Federfußpunkt mittels eines mit dem Gaspedal in Verbindung stehenden Ex­ zenters verstellt wird. Zur Vermeidung unerwünschter Rückwirkungen der beim Hubkol­ benmotor auftretenden Pulsationen im Ansaug- oder Abgassystem kann die Stauklappe, ent­ sprechend der bei bekannten Einspritzanlagen verwendeten Stauklappen zur Messung des angesaugten Luftvolumenstroms, mit einer zusätzlichen Dämpfungsvorrichtung, zum Bei­ spiel in Form einer Kompensationsklappe, versehen werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemaße Möglichkeit, die Druckdifferenz mittels einer Klappe in Ab­ hängigkeit des Gaspedals zu verstellen und

Fig. 2 und 3 eine schematische Darstellung einer im Volumenstrom exzentrisch angeordne­ ten Stauklappe mit verstellbarer Federvorspannung.

Eine entsprechend Fig. 1 im Ansaug- und/oder Abgassystem angeordnete Klappe 1 ist auf einer drehbar gelagerten Achse 7 befestigt. Zusätzlich ist an einem Ende der Achse 7 ein Hebel 2 mit einer Längsnut 3 befestigt. In der Längsnut 3 des Hebels 2 ist eine auf einem zweiten Hebel 6 befestigter Bolzen 4 geführt. Durch Drehung des Hebels 6 um die Achse 5 kann über die Verbindung Bolzen 4 mit Längsnut 3 eine Drehbewegung der Klappe 1 erzielt werden. Hebel 6 wird dabei zweckmäßiger Weise z. B. über einen Seilzug oder ein Gestän­ ge oder eine andere Vorrichtung vom Gaspedal ausgelenkt. Die Länge des Hebels 6 und die Position der Drehachse 5 in Bezug auf die Position der Drehachse 7 bestimmt dabei die maximalen und minimalen von der Klappe 1 im Rohr 8 freigegebenen Querschnitte. Zur be­ darfsgerechten Steuerung des Restgasanteils im Verbrennungsmotor sollten Länge und Drehachse des Hebels 6 in Bezug zur Drehachse 7 vorzugsweise so ausgelegt sein, daß in Abhängigkeit der Gaspedalstellung bei Vollast maximaler Rohrquerschnitt, im Teillastbe­ reich ein reduzierter, jedoch nicht komplett verschlossener und im Niedrigstlastbereich ein ausreichend großer Rohrquerschnitt freigegeben wird. Über den mit der Drehzahl ansteigen­ den Volumenstrom des Motors stellen sich mit dieser Art der Restgassteuerung bei steigen­ der Drehzahl und gleicher Winkelstellung der Klappe 1 höhere Druckdifferenzen und damit auch höhere Restgasgehalte ein, was durchaus den Anforderungen der Verbrennung an ei­ nen optimalen Restgasgehalt über der Drehzahl entspricht.

Fig. 2 und 3 zeigen zwei Ansichten einer Möglichkeit, über eine exzentrisch gelagerte Stauklappe im Ansaug- und/oder Abgassystem die Druckdifferenz und damit den Restgasanteil zu steuern. Die Stauklappe 9 ist auf einer Welle 15 befestigt und exzentrisch zur Mittelachse des Rohres 14 gelagert. Eine Feder 10 steht mit ihrem einen Ende mit der Welle 15 in Ein­ griff; das andere Ende 11 liegt an dem Exzenter 12 an. Über diesen Exzenter 12 kann die Feder derart gespannt werden, daß die Stauklappe den Rohrquerschnitt gegen die angreifen­ de Kraft des Frischgemisch- oder Abgasvolumenstroms zumindest teilweise verschließt. Der Exzenter wird seinerseits über den Hebel 13 und eine zusätzliche Einrichtung wie Seilzug, Gestänge etc. vom Gaspedal betätigt. Entsprechend Fig. 3 kann die mit der Stauklappe fest verbundene Welle 15 hohl ausgeführt sein, so daß der Hebel 13 mit seiner Welle 16 in dieser Hohlwelle drehbar gelagert ist.

Claims (7)

1. Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit interner Restgasrückführung in Abhängigkeit von Betriebspunkt und Betriebszustand, insbesondere bei Ottomotoren mit drosselfreier Last­ steuerung über die Einlaß-Schließt-Steuerzeit bei nahezu unveränderter Ventilüberschnei­ dung dadurch gekennzeichnet, daß der Restgasanteil am Frischgemisch durch die gezielte Steuerung der Druckdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßkanal eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Druckdif­ ferenz zwischen Einlaß- und Auslaßkanal der Strömungsquerschnitt im Ansaug- oder Ab­ gassystem verändert wird.

3. Vorrichtung zur Steuerung der Druckdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßkanal nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt in Abhängigkeit von der Motorlast derart verändert wird, daß sich bei kleinen Motorlasten niedrige Restgasantei­ le, bei mittleren Motorlasten höhere Restgasanteile und bei Vollast minimale Restgasanteile einstellen.

4. Vorrichtung zur Steuerung der Druckdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßkanal nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß eine im Ansaug- und/oder Abgassystem an­ geordnete Klappe direkt oder indirekt vom Gaspedal betätigt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die im Ansaug- und/oder Abgassystem angeordnete Klappe 1 fest mit einem Hebel 2 mit Längsnut 3 verbunden ist, in welcher ein Bolzen 4 eines vom Gaspedal betätigten, um die Achse 5 drehbaren Hebels 6 geführt ist, wobei durch die Position des Hebels 6 in Bezug auf die Drehachse 7 der Klappe 1 und dessen wirksamer Länge der von der Klappe 1 freigegebene engste Querschnitt des Rohres 8 bestimmt wird.

6. Vorrichtung zur Steuerung der Druckdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßkanal nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß eine exzentrisch zur Hauptströmungsrichtung gelagerte Stauklappe 9 vom angesaugten Frischvolumenstrom und/oder vom ausgeschobe­ nen Abgasvolumenstrom gegen die Rückstellkraft einer Feder 10 ausgelenkt wird, deren Fe­ dervorspannung in Abhängigkeit von der Motorlast bzw. der Gaspedalstellung verändert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorspannung mit­ tels eines auf den Federfußpunkt 11 wirkenden Exzenters 12 über einen vom Gaspedal betä­ tigten Hebel 13 verstellt wird.