DE4300337C2 - Restgassteuerung bei Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren re­ spektive eine Vorrichtung zur Steuerung des Restgas­ anteils am Frischgemisch von Hubkolben-Brennkraft­ maschinen entsprechend dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Systeme zur drosselfreien Laststeuerung von Ottomotoren, bei denen die Ventil­ überschneidung entsprechend dem Oberbegriff der vorliegenden Anmeldung zu­ nächst unverändert bleibt und insbesondere die Einlaß-Schließt-Steuerzeit zur Füllungsregelung variiert wird, sind aus zahlreichen Patent- und Offenlegungs­ schriften, wie zum Beispiel aus der deutschen Patentanmeldung P 42 44 551.5-13 bekannt. Die P 42 44 551.5-13 beschreibt eine Vorrichtung, die eine stufenlose Verstellung des Ventilhubs und des Schließzeitpunktes der Ventile eines Hubkol­ benmotors von Nullhub bis Maximalhub ermöglicht und so eine ausreichende Va­ riabilität zur drosselfreien Laststeuerung von Ottomotoren bietet. Über Möglichkei­ ten zur gezielten Restgassteuerung bei drosselfreier Laststeuerung mit einem derartigen System wird in dieser Anmeldung allerdings keine Aussage gemacht.

Die betriebsgerechte Steuerung der dem Kraftstoff- Luftgemisch zugefügten Restgasmenge stellt aber ein we­ sentliches Potential zur Verbesserung des Verbrauchs-, Abgas- und Drehmomentverhaltens instationär betrie­ bener Hubkolben-Brennkraftmaschinen dar. Dies gilt insbesondere für weite Bereiche des drosselgesteuerten Ottomotors. Im Leerlauf strömt während der Ventil­ überschneidungsphase, aufgrund der prinzipbedingten starken ansaugseitigen Drosselung und dem daraus re­ sultierenden Druckgefälle zwischen Auslaß- und Einlaß­ kanal, verhältnismäßig viel Abgas zurück ins Ansaugsy­ stem und wird dem Frischgemisch beigefügt. Das führt jedoch zu größeren zyklischen Verbrennungsschwan­ kungen, höheren HC-Emissionen und schränkt die Ab­ senkung der Leerlaufdrehzahl ein. Im mittleren Lastbe­ reich nehmen, aufgrund der ansaugseitigen Entdrosse­ lung, die Druckdifferenz zwischen Abgas- und Ansaug­ seite, und damit auch der rückströmende Restgasanteil ab. Demgegenüber wirken sich in diesem Betriebsbe­ reich höhere Abgasanteile günstig auf Verbrauch und Stickoxidemissionen aus. Bei Vollast sind dagegen wie­ derum minimale Restgasanteile am Frischgemisch vor­ teilhaft, da hierdurch einerseits die Klopfneigung verrin­ gert und darüberhinaus die Füllung verbessert werden. Aus der Kenntnis dieser Zusammenhänge werden zu­ nehmend Technologien entwickelt und eingesetzt, mit deren Hilfe der Restgasanteil am Frischgemisch den je­ weiligen Anforderungen entsprechend angepaßt wer­ den kann. Zum Stand der Technik zählen hierbei Abgas­ rückführventile, die eine zusätzliche, im Querschnitt steuerbare Verbindung zwischen Auslaß- und Ansaug­ system herstellen. Als Fördermechanismus dient entwe­ der die auf die ottomotorische Drosselregelung zurück­ zuführende Druckdifferenz zwischen Auslaß- und Ein­ laßseite oder eine zusätzliche Förderpumpe (Dieselmo­ tor). Die im drosselgesteuerten Ottomotor einlaßseitig eingesetzte Drosselklappe, wie sie beispielsweise in der DE-OS 23 01 449 beschrieben ist, wird ausschließlich zur Lastregelung genutzt und steht als freie Stellgröße zur Steuerung des Restga­ santeils nicht zur Verfügung.

Hierfür werden zunehmend Nockenwellenver­ steller zur relativen Verdrehung der Nockenwellen ge­ genüber der Kurbelwelle in Fahrzeugmotoren einge­ setzt. Durch Verändern der Ventilüberschneidungszeit ist mit diesen Systemen ebenfalls eine begrenzte Steue­ rung des Restgasanteils möglich.

Die DE-GM 71 19 909 beschreibt die Arbeitsweise einer Hubkolben- Brennkraftmaschine, bei der eine interne Abgasrückführung durch ein zusätzli­ ches Öffnen des Auslaßventils während der Ansaugphase realisiert wird. Die da­ bei rückgeführte Abgasmenge ist abhängig von Hub und Dauer des zusätzlichen Auslaß-Öffnens, dem im Zylinder herrschenden Unterdruck und den Druckverhält­ nissen im Ansaug- und Abgassystem. Diese können allerdings nicht direkt und unabhängig beeinflußt werden, sondern stellen sich vielmehr als Ergebnis des Lastregelungsverfahrens, der gewünschten Zylinderfüllung und der Strömungs­ querschnitte im gesamten Ladungswechselsystem ein. Die rückgeführten Abgas­ menge kann daher bei vorgegebener Grundeinstellung der Öffnungsfunktion des zusätzlichen Nockens und konstantem Betriebspunkt allenfalls durch Verändern der Lage des zusätzlichen Auslaß-Öffnens (z. B. durch Verdrehen der Nocken­ welle) variiert werden.

Da die genannten Sy­ steme jedoch im wesentlichen das bei der Drosselrege­ lung anfallende Druckgefälle nutzen, sind sie bei dros­ selfreier Laststeuerung ohne zusätzliche Maßnahmen wie zum Beispiel eine zusätzliche Förderpumpe, nicht anwendbar. Im Zusammenhang mit einer Lastregelung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Ottomoto­ ren, mittels variabler Ventilsteuerzeiten wird in der Fachliteratur und in Patent- bzw. Offenlegungsschriften die Möglichkeit der Restgassteuerung über variable Auslaß-Schließt- und Einlaß-Öffnet-Steuerzeiten be­ schrieben. 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 be­ deuten, müssen andere Lösungen gefunden werden, will man das Potential einer betriebspunktabhängigen Opti­ mierung des Restgasanteils am Kraftstoff-Luftgemisch nutzen. Hierbei soll der dafür erforderliche Aufwand in einer vernünftigen Relation zum Nutzen stehen und es soll möglichst wenig zusätzlicher Bauraum in Anspruch genommen werden. Das Verfahren bzw. die Vorrich­ tung sollte die vorab beschriebene Abhängigkeit des optimalen Restgasanteils von der Last darstellen kön­ nen. Insbesondere soll das Restgas von niedrigen Antei­ len im leerlaufnahen Betriebsbereich bei zunehmender Last zunächst deutlich angehoben werden können, um dann zur Vollast hin wieder auf ein Minimum reduziert zu werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung für Hub­ kolbenmotoren, insbesondere aber für Ottomotoren mit drosselfreier Laststeuerung über variable Einlaß- Schließt-Steuerzeiten bei nahezu unveränderter Ventil­ überschneidung derart auszubilden, daß der intern zu­ rückgeführte Restgasanteil am Frischgemisch in der be­ schriebenen Abhängigkeit vom Betriebspunkt verän­ dert werden kann.

Diese Aufgabe ist durch das Verfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Bei einer ungedrosselten Laststeuerung von Motoren, beispielsweise über varia­ ble 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 Einlaßventi­ le Frischgemisch, im wesentlichen bestehend aus Kraft­ stoff und Luft, ansaugt und anschließend die verbrannte Ladungsmenge über die dann geöffneten Auslaßventile wieder ausschiebt, bietet es sich an, diesen Vorgang für die Erzeugung der zur Steuerung des Restgasanteils benötigten Druckdifferenz zu nutzen. Die hierfür erfor­ derlichen Druckdifferenzen sind gemessen an den Druckverlusten bei der Laststeuerung durch Drosse­ lung vergleichsweise niedrig und erfordern daher auch kaum zusätzliche Ladungswechselarbeit. Bei entspre­ chender Dauer der Ventilüberschneidung (Einlaß-Öff­ net vor Auslaß-Schließt), welche durch den Wegfall der für eine Laststeuerung erforderlichen hohen Drosse­ lung vergrößert werden kann, genügen Druckdifferen­ zen von 0,05 bis 0,1 bar zwischen Auslaß- und Einlaßsei­ te, um maximale Restgasanteile von 25 bis 30% im mitt­ leren Lastbereich zu erzielen. Zum Vergleich, bei der Laststeuerung über Drosselung treten Druckdifferen­ zen von maximal etwa 0,7 bar im Leerlaufbereich auf. Die zur Restgassteuerung erforderlichen Druckdiffe­ renzen können sinnvollerweise durch einen saugseitigen Unterdruck und/oder einen abgasseitigen Gegendruck erzielt werden. Dadurch kann in der Phase, da das Ein­ laßventil schon geöffnet und das Auslaßventil noch of­ fen ist Abgas vom vorangegangenen Zyklus in Brenn­ raum und Einlaßkanal zurückströmen und nach Ab­ schluß des Ladungswechsels am nächsten Verbren­ nungszyklus teilnehmen. Die Steuerung der Druckdiffe­ renz zwischen Einlaß- und Auslaßseite erfolgt entspre­ chend Patentanspruch 2 zweckmäßigerweise über ein gezieltes Verändern der Strömungsquerschnitte im An­ saug- und/oder Auslaßsystem. Entsprechend der ein­ gangs beschriebenen Charakteristik des optimalen Restgasgehaltes am Frischgemisch sollte der Strö­ mungsquerschnitt nach Patentanspruch 3 in Abhängig­ keit der Motorlast oder der Gaspedalstellung gesteuert werden können. Insbesondere sollte im leerlaufnahen Betriebsbereich abhängig von der Drehzahl und vom Volumenstrom ein ausreichend großer Rohrquerschnitt für niedrige Druckdifferenzen und damit niedrige Rest­ gasanteile freigegeben werden. Damit sollen vor allem eine gute Laufruhe des Motors, niedrige HC-Emissio­ nen und niedrige Leerlaufdrehzahlen sichergestellt wer­ den. im mittleren Lastbereich sollten die Strömungs­ querschnitte soweit reduziert werden, daß über entspre­ chend große Druckdifferenzen die gewünscht hohen Restgasanteile zurückgeführt und dem Frischgemisch beigefügt werden, um niedrigen Verbrauch und niedrige Stickoxidemissionen zu erzielen. Bei Vollast sind wie­ derum maximale Rohrquerschnitte für niedrige Strö­ mungswiderstände und damit niedrige Druckdifferen­ zen angestrebt, um so die Voraussetzungen für hohe Füllungen und niedrige Klopfneigung zu schaffen.

Als Vorrichtung zur Steuerung des Strömungsquer­ schnitts im Ansaug- oder Abgassystem sind unterschied­ liche Mechanismen vorstellbar. Sehr einfache Systeme, die den vorab beschriebenen Anforderungen genügen, sind in den Patentansprüchen 4 bis 7 beschrieben. Bei der Vorrichtung nach Patentansprüchen 4 und 5 wird eine Klappe im Ansaug- oder Abgassystem direkt oder indirekt vom Gaspedal derart betätigt, daß die vorab beschriebene Charakteristik des Restgasgehaltes er­ reicht 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 Gas­ pedalstellung in die Position gebracht werden, bei der der engste Rohrquerschnitt freigegeben wird, ohne daß die Klappe bei linearer Gaspedalverstellung die kom­ plett geschlossene Stellung durchlaufen muß. Damit ist, bei entsprechender geometrischer Auslegung des Ver­ stellmechanismus, die oben beschriebene Charakteristik der Restgassteuerung ausreichend gut in Abhängigkeit des Gaspedals realisierbar.

Eine weitere mögliche Vorrichtung zur Restgassteue­ rung in der gewünschten Abhängigkeit ist in den Patent­ ansprüchen 6 und 7 beschrieben. Eine in der Hauptströ­ mungsrichtung exzentrisch 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 Anforderun­ gen des Motors in der oben beschriebenen Form zu ändern, muß die Rückstellkraft der Feder in Abhängig­ keit der Motorlast veränderbar sein. Dies geschieht nach Patentanspruch 7 derart, daß der eine Federfuß­ punkt mittels eines mit dem Gaspedal in Verbindung stehenden Exzenters verstellt wird. Zur Vermeidung un­ erwünschter Rückwirkungen der beim Hubkolbenmo­ tor auftretenden Pulsationen im Ansaug- oder Abgassy­ stem kann die Stauklappe, entsprechend der bei be­ kannten Einspritzanlagen verwendeten Stauklappen zur Messung des angesaugten Luftvolumenstroms, mit einer zusätzlichen Dämpfungsvorrichtung, zum Beispiel in Form einer Kompensationsklappe, versehen werden.

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

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Möglichkeit, die Druckdifferenz mittels einer Klappe in Abhängigkeit des Gaspedals zu verstellen und

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

Eine entsprechend Fig. 1 im Ansaug- und/oder Ab­ gassystem 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 ein 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 Drehbe­ wegung der Klappe 1 erzielt werden. Hebel 6 wird dabei zweckmäßiger Weise z. B. über einen Seilzug oder ein Gestänge 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 bedarfsgerechten Steuerung des Restgasanteils im Ver­ brennungsmotor sollten Länge und Drehachse des He­ bels 6 in Bezug zur Drehachse 7 vorzugsweise so ausge­ legt sein, daß in Abhängigkeit der Gaspedalstellung bei Vollast maximaler Rohrquerschnitt, im Teillastbereich ein reduzierter, jedoch nicht komplett verschlossener und im Niedrigstlastbereich ein ausreichend großer Rohrquerschnitt freigegeben wird. Über den mit der Drehzahl ansteigenden Volumenstrom des Motors stel­ len sich mit dieser Art der Restgassteuerung bei steigen­ der Drehzahl und gleicher Winkelstellung der Klappe 1 höhere Druckdifferenzen und damit auch höhere Rest­ gasgehalte ein, was durchaus den Anforderungen der Verbrennung an einen 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 Eingriff; das andere Ende 11 liegt an dem Exzenter 12 an. Über diesen Exzenter 12 kann die Feder derart gespannt werden, daß die Stau­ klappe den Rohrquerschnitt gegen die angreifende Kraft des Frischgemisch- oder Abgasvolumenstroms zumindest teilweise verschließt. Der Exzenter wird sei­ nerseits über den Hebel 13 und eine zusätzliche Einrich­ tung 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 dreh­ bar gelagert ist.

Claims (7)

1. Verfahren für 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.