DE4437947C2 - Verfahren zur Regelung der Zuführung von wenigstens einem Zusatzfluidstrom in einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Regelung der Zuführung von wenigstens einem Zusatzfluidstrom in einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Zuführung
von wenigstens einem Zusatzfluidstrom in einen Ansaugtrakt der
Brennkraftmaschine, wobei wenigstens ein Abgasparameter in einem
Abgastrakt einer Abgasanlage gemessen wird, der mit wenigstens
einem Sollparameter eines Kennfeldes verglichen wird, das unter
den Kriterien eines minimalen Kraftstoffverbrauchs und minimaler
Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine ermittelt wurde, und
wobei die Zufuhr des wenigstens einen Zusatzfluidstromes in Ab
hängigkeit von den anhand des Kennfeldes ausgewählten, für den
wenigstens einen Abgasparameter geeigneten Regelgrößen geregelt
wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der DE 35 00 608 A1 ist eine Gemischregelung für Verbren
nungsmotoren bekannt, der eine Abgasrückführung zugeordnet ist.
Mittels einer in einem Abgastrakt des Verbrennungsmotors ange
ordneten Lambdasonde sowie einer Vergleicherschaltung werden
entsprechende Lambdasignale mit entsprechenden Lambdasollwerten
verglichen, die in einem Kennfeldspeicher abgelegt sind. Der
Kennfeldspeicher ist durch Betriebswerte des Verbrennungsmotors
wie Drehzahl, Last, Temperatur oder ähnliches anwählbar und ent
hält ergänzend Sollwerte für ein Abgasrückführventil.
Bei einer weiteren Gemischregelung für einen Verbrennungsmotor
ist es gemäß der DE 32 04 842 A1 bekannt, für eine von der Ver
wendung bleifreien Kraftstoffes unabhängige Lambdaregelung einen
in Abhängigkeit von den Signalen eines Steuergerätes verstellba
ren Gemischbildner vorzusehen. Dem Steuergerät werden vom Meßge
rät die Ist-Werte des Drehmoments, der Drehzahl und des Zündwin
kels der Brennkraftmaschine, sowie der Umgebungstemperatur, der
Abgastemperatur und des Vorzeichens der ersten Ableitung der Ab
gastemperatur nach der Luftzahl zur Bestimmung des Ist-Wertes
der Luftzahl aus einem in dem Steuergerät gespeicherten Kennfeld
zugeführt. Das Steuergerät verstellt den Gemischbildner abhängig
von einem jedem Betriebszustand zugeordneten optimalen Luftzahl-
Sollwert.
Die DE 39 06 083 A1 offenbart eine Regelung einer Dieselbrenn
kraftmaschine, die abhängig von Meßwerten eines Abgassensors er
folgt.
Es ist außerdem bekannt (DE 35 11 094 A1 und DE 34 13 419 C2),
Zusatz- oder Abgasströme dem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschi
ne für ein Kraftfahrzeug zuzuführen, um einerseits den Kraft
stoffverbrauch zu verringern und andererseits die Schadstoff
emission der Abgasanlage des Kraftfahrzeugs zu reduzieren. Dazu
sind in den Ansaugtrakt zusätzliche Zuführkanäle integriert, die
eine Zuführung der Zusatzfluidströme in den Brennraum ermögli
chen. Die Zuführung der Zusatzfluidströme erfolgt in Abhängig
keit von dem im Ansaugtrakt herrschenden Unterdruck.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, durch die eine weitere
Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen bei
der Brennkraftmaschine erzielbar ist.
Für das Verfahren wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem An
saugtrakt an unterschiedlichen Stellen wenigstens zwei Zusatz
fluidströme zugeführt werden, deren Massendurchsätze und Strö
mungsprofile durch gerichtetes Einspritzen unter Überdruck in
den Ansaugtrakt und/oder durch gezieltes Absaugen aus dem An
saugtrakt kennfeldabhängig variiert werden.
Für die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit wenig
stens einer in den Ansaugtrakt mündenden Zuführdüse, die an je
eine mit einem Stellorgan zum Einstellen des Fluiddurchsatzes
versehene Fluidleitung angeschlossen ist, wobei im Ansaugtrakt
wenigstens ein Abgassensor vorgesehen ist, der zur Ermittlung
von wenigstens einem Abgasparameter an eine zentrale Regelein
heit angeschlossen ist, die einen Datenspeicher, in dem ein Mo
torkennfeld für geringen Kraftstoffverbrauch und geringe Schad
stoffemission abgespeichert ist, sowie eine Vergleichs- und Aus
werteeinheit aufweist, die dem wenigstens einen ermittelten Ab
gasparameter bestimmte Regelbefehle zuordnet, und die mittels
einer Stelleinrichtung zur Übermittlung der ausgewählten Regel
befehle an das wenigstens eine Stellorgan der Fluidleitung ange
schlossen ist, wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an unter
schiedlichen Stellen des Ansaugtraktes wenigstens zwei Zuführdü
sen angeordnet sind, die derart im Ansaugtrakt ausgerichtet
sind, daß sie ein gerichtetes Einspritzen der Zusatzfluidströme
unter Überdruck ermöglichen, und von denen wenigstens eine mit
Mitteln zum gezielten Absaugen von Zusatzfluidströmen versehen
ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, über alle
Drehzahl- und Lastbereiche einen gleichmäßig geringen Kraft
stoffverbrauch und eine gleichmäßig geringe Schadstoffemission
zu erzielen. Die Fluiddurchsätze werden aufgrund der ermittelten
Abgaswerte, denen bestimmte Stellsignale zugeordnet werden, lau
fend angepaßt. Durch die erfindungsgemäße elektronische Regelung
wird die je nach Bedarf geeignete Zuführung der jeweiligen Zu
satzfluidströme erreicht. Dies gilt gleichermaßen für transiente
Betriebszustände wie beispielsweise Beschleunigungsvorgänge.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Er
findung beschrieben und anhand der Zeichnungen dargestellt.
Fig. 1 stellt schematisch eine Ausführungsform einer erfin
dungsgemäßen Vorrichtung dar, die für eine Brennkraftma
schine eines Kraftfahrzeuges vorgesehen ist und
Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Regeleinheit der Vorrichtung
nach Fig. 1.
Ein Zylinder einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gemäß
der Zeichnung weist oberhalb eines Kolbens 2 einen Brennraum 1
auf. Der Kolben 2 ist in an sich bekannter Weise mit einer Kur
belwelle 3 verbunden, die in an sich bekannter Weise mittels ei
nes Meßgebers 17 eine Ist-Drehzahl ωIST abgibt. Die Brennkraftma
schine weist mehrere Zylinder auf, wobei aus Übersichtlichkeits
gründen jedoch lediglich ein einziger Zylinder dargestellt ist.
In den Brennraum 1 mündet ein Ansaugtrakt 4, dessen Zugang zum
Brennraum 1 mittels eines Einlaßventils 5 verschließbar ist.
Auslaßseitig schließt an den Brennraum 1 ein Abgastrakt 6 an,
der Teil einer Abgasanlage ist. Der Auslaß zum Abgastrakt 6 ist
mittels eines Auslaßventils 7 verschließbar. Im Ansaugtrakt 4
sind zwei als Zuführdüsen für Zusatzfluidströme dienende Injek
torbüchsen 8 und 9 vorgesehen, die den Ansaugkanal des Ansaug
traktes 4 an unterschiedlichen Stellen radial umschließen. Dabei
ist die Injektorbüchse 8 unmittelbar im Eintrittsbereich des An
saugkanals in den Brennraum 1 angeordnet, die Injektorbüchse 9
hingegen ist in axialem Abstand vor dem Einlaßventil 5 angeord
net. Beide Injektorbüchsen 8 und 9 sind mit je einer Fluidlei
tung 26, 27 verbunden, mittels denen entsprechende Zusatz
fluidströme unter Überdruck gegenüber dem Saugrohrdruck durch
die Injektorbüchsen 8 und 9 in den Ansaugtrakt 4 eingespritzt
werden. Als Zusatzfluidströme werden über die Fluidleitungen 26
und 27 je nach den Anforderungen bezüglich einer Minimierung des
Kraftstoffverbrauchs oder der Schadstoffemission als Zusatz
fluidströme Abgasströme, Luftströme, Wasser- oder Brennstoff
ströme zugeführt. Die Abgasströme werden dabei aus dem Abgas
trakt 6 abgeleitet und zum Ansaugtrakt rückgeführt. Die Durch
flußmenge, d. h. die Massendurchsätze, in den Fluidleitungen 26
und 27 ist mittels jeweils einer Drosseleinrichtung 10 einstell
bar.
Die Injektorbüchse 8 weist neben einer Zuführdüse auch eine
Saugdüse auf, an die eine Saugleitung 25 angeschlossen ist. Mit
tels dieser Saugdüse sind entsprechende Fluidströme, d. h. Gas- oder
Gemischströme, absaugbar. Auch die Saugleitung 25 ist mit
einer Drosseleinrichtung 10 zur Regelung der Durchflußmenge und
damit der Höhe des abgesaugten Fluidstromes versehen.
Im Abgastrakt 6 sind mehrere Abgassensoren angeordnet, die die
mengenmäßige Zusammensetzung des Abgasstromes analysieren. Ein
Abgassensor ist zur Messung des Kohlenoxydgehaltes, ein weiterer
zur Messung des Kohlenwasserstoffgehaltes, ein weiterer zur Mes
sung der Stickoxydemission, ein weiterer zur Messung des Benzol
gehaltes und ein weiterer zur Messung des Rußgehaltes vorgese
hen. Die durch die verschiedenen Abgassensoren erfaßten Werte
werden mit Hilfe von Signalleitungen 11 an eine Sensoreinheit 12
weitergeleitet, die die verschiedenen Werte der Abgassensoren
erfaßt. Von der Sensoreinheit 12 werden die ermittelten Abgas
werte über eine Signalleitung 13 an eine zentrale Regeleinheit
14, 15, 16 weitergeleitet, an die auch zwei Signalleitungen 23
und 24 für die Übermittlung von Druck- und Temperaturwerten im
Brennraum 1 angeschlossen ist.
In der zentralen Regeleinheit 14, 15, 16 ist ein Kennfeld 14 ab
gespeichert, das für die Brennkraftmaschine unter den Gesichts
punkten eines minimalen Kraftstoffverbrauchs und einer minimalen
Schadstoffemission ermittelt wurde. In diesem Kennfeld sind alle
möglichen auftretenden Bereiche der Abgaswerte, der Motordreh
zahlen sowie der Brennraumzustände abgespeichert. Jedem dieser
möglichen auftretenden Werte sind entsprechende Regelbefehle für
eine geeignete Durchflußmengenregelung der dem Ansaugtrakt 4 zu
zugebenden oder zu entnehmenden Zusatzfluidströme zugeordnet.
Aus dem Vergleich der Kennfeldwerte mit den momentanen Meßwerten
bildet der Regler auch für transienten Betrieb entsprechende Re
gelbefehle. Diese Regelbefehle werden mittels einer Stellein
richtung 16, die Bestandteil der zentralen Reglereinheit 14, 15,
16 ist, an die verschiedenen Drosseleinrichtungen 10 der Fluid
leitungen 26 und 27 sowie der Saugleitung 25 ausgegeben. Die
entsprechenden Stelleitungen zur Übermittlung der Stellbefehle
von der Stelleinrichtung 16 an die verschiedenen Drosseleinrich
tungen 10 sind mit 20, 21 und 22 bezeichnet. Das Kennfeld 14 ist
mittels einer Vergleichs- und Auswerteeinheit 15 mit der Stell
einrichtung 16 verbunden, die die über die Signalleitung 13 und
die Signalleitungen 23 und 24 eingehenden Meßwerte mit den je
weiligen Daten des Kennfeldes vergleicht und diesen eingehenden
Werten dem Kennfeld entsprechend Regelbefehle zuordnet. Selbst
verständlich ist an die zentrale Regeleinheit 14, 15, 16 auch
eine von einem Gaspedal 18 des Kraftfahrzeugs zugeführte Signal
leitung 19 angeschlossen, die die entsprechende Soll-Drehzahl
ωSOLL für die Brennkraftmaschine vorgibt.
Über das Kennfeld 14 und die zugehörige Elektronik wird die
Brennkraftmaschine derart geregelt, daß ihr Kraftstoffverbrauch
und ihre Schadstoffemission so weit wie möglich reduziert sind.
Die Regelung erfolgt durch eine entsprechende Reduzierung, Erhö
hung oder Absperrung der Durchflußmengen der Zusatzfluidströme
in den Zusatzfluidleitungen 26 und 27 bzw. in der Saugleitung 25
durch eine entsprechende Ansteuerung der verschiedenen Drossel
einrichtungen 10.
Ein Regler R nach Fig. 2 weist eine Korrektureinrichtung K auf,
der eine Stelleinrichtung S nachgeschaltet ist. Diese Stellein
richtung S ist an die Regelstrecke RS der Brennkraftmaschine an
geschlossen, die den Motor, sowie verschiedene Aggregate und
Einrichtungen aufweist. Eingangsgrößen dieser Regelstrecke, die
von der Stelleinrichtung S übermittelt werden, sind Stellgrößen
yi, die die verschiedenen Zusatzfluidströme für das Saugrohr de
finieren. Ausgangsgröße der Regelstrecke RS ist die Regelgröße
x, die den Ist-Abgasmassenstrom darstellt. In dem Ausgangsbe
reich der Regelstrecke sind Meßeinrichtungen M für die verschie
denen zu erfassenden Meßgrößen wie den Druck im Brennraum, die
Temperatur im Brennraum, die Motordrehzahl sowie die Soll-Dreh
zahl des Motors entsprechend dem Gaspedaldruck angeschlossen.
Diese bilden Rückführgrößen ri, die vor dem Eingang der Korrek
tureinrichtung K mit den Führungsgrößen fi der Minimalvorgabe MV
für die Schadstoffe im Abgas zusammengeführt werden. Die daraus
resultierenden Regeldifferenzen Xdi werden der Korrektureinrich
tung K zugeführt, die die Stelleinrichtungen S für die verschie
denen Stellgrößen yi entsprechend betätigt. Durch diesen Regler
wird die Ventiltellerüberströmung im Saugrohrbereich durch die
variablen Zusatzfluidströme derart beeinflußt, daß im Brennraum
eine gezielte räumliche und zeitliche Ausbildung der globalen
Strömungsstrukturen wie Drall D und Tumble T (Fig. 1) erfolgt.
Durch eine entsprechende Regelung der Zusatzfluidströme ist eine
axiale, radiale oder auch sektorale Schichtung im Saugrohr er
zielbar, durch die eine nachfolgende Schichtung, d. h. ein Kon
zentrationsgefälle, im Brennraum ermöglicht wird. Somit ist eine
kraftstoff- und schadstoffminimale Verbrennung herbeiführbar.
Durch die Regelung der Zusatzfluidströme wird zudem eine Strö
mungsbewegung im Saugrohr bewirkt, die zur Unterstützung der Ge
mischaufbereitung vor und während des Ansaugtaktes beiträgt. Da
bei unterstützen die Zusatzfluidströme die Anlaufbewegung der
Fluidsäule im Saugrohr zu Beginn des Ansaugtaktes und verbessern
die Füllung des Brennraumes. Die Reglereinstellungen sind
selbstadaptiv veränderbar, um die verbrauchs- und abgasminimalen
Werte sukzessive über der gesamten Betriebszeit annehmen zu kön
nen.
Als Regelgrößen, die mittels der Meßeinrichtungen erfaßt werden,
dienen der Stickoxid- und der Kohlenwasserstoffmassenstrom sowie
Massenströme anderer Abgasbestandteile. Stellgrößen, mittels de
nen der Ansaugtrakt, d. h. das Saugrohr, versorgt wird - d. h. die
verschiedenen Zusatzfluidströme -, sind Zusatzluft-, Zusatzab
gas-, Zusatzwasser- und Zusatzbrennstoffmassenströme. Eine ent
sprechende Umfangsverteilung der Massenströme über der Injektor
buchse ermöglicht die Beeinflussung von Drall-D und Tumble-T Be
wegungen im Brennraum.
Claims (6)
1. Verfahren zur Regelung der Zuführung von wenigstens einem Zu
satzfluidstrom in einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, wo
bei wenigstens ein Abgasparameter in einem Abgastrakt einer Ab
gasanlage gemessen wird, der mit wenigstens einem Sollparameter
eines Kennfeldes verglichen wird, das unter den Kriterien eines
minimalen Kraftstoffverbrauchs und minimaler Schadstoffemissio
nen der Brennkraftmaschine ermittelt wurde, und wobei die Zufuhr
des wenigstens einen Zusatzfluidstromes in Abhängigkeit von den
anhand des Kennfeldes ausgewählten, für den wenigstens einen Ab
gasparameter geeigneten Regelgrößen geregelt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
dem Ansaugtrakt (4) an unterschiedlichen Stellen wenigstens zwei
Zusatzfluidströme zugeführt werden, deren Massendurchsätze und
Strömungsprofile durch gerichtetes Einspritzen unter Überdruck
in den Ansaugtrakt (4) und/oder durch gezieltes Absaugen aus dem
Ansaugtrakt (4) kennfeldabhängig variiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Ventiltellerüberströmung durch die variablen Zusatz
fluidströme im Ansaugtrakt (4) derart beeinflußt wird, daß eine
gezielte räumliche und zeitliche Ausbildung der globalen Strö
mungsstrukturen (D, T) im Brennraum (5) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Strömungsprofil jedes Zusatzfluidstromes während der Motor
takte eine definierte, kennfeldabhängige Funktion der Zeit ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
durch axiale, radiale oder sektorale Schichtung im Ansaugtrakt
(4) eine nachfolgende Schichtung in Form eines Konzentrationsge
fälles im Brennraum (5) für eine kraftstoff- und schadstoffmini
male Verbrennung herbeigeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Zusatzfluidströme eine Strömungsbewegung im Ansaugtrakt be
wirken, die zur Unterstützung der Gemischaufbereitung vor und
während des Ansaugtakts beiträgt.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, mit wenigstens einer in den Ansaugtrakt mün
denden Zuführdüse, die an je eine mit einem Stellorgan zum Ein
stellen des Fluiddurchsatzes versehene Fluidleitung angeschlos
sen ist, wobei im Ansaugtrakt wenigstens ein Abgassensor vorge
sehen ist, der zur Übermittlung von wenigstens einem Abgaspara
meter an eine zentrale Regeleinheit angeschlossen ist, die einen
Datenspeicher, in dem ein Motorkennfeld für geringen Kraftstoff
verbrauch und geringe Schadstoffemission abgespeichert ist, so
wie eine Vergleichs- und Auswerteeinheit aufweist, die dem we
nigstens einen ermittelten Abgasparameter bestimmte Regelbefehle
zuordnet, und die mittels einer Stelleinrichtung zur Übermitt
lung der ausgewählten Regelbefehle an das wenigstens eine Stell
organ der Fluidleitung angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
an unterschiedlichen Stellen des Ansaugtraktes (4) wenigstens
zwei Zuführdüsen (8, 9) angeordnet sind, die derart im Ansaug
trakt (4) ausgerichtet sind, daß sie ein gerichtetes Einspritzen
der Zusatzfluidströme unter Überdruck ermöglichen, und von denen
wenigstens eine mit Mitteln (10) zum gezielten Absaugen von Zu
satzfluidströmen versehen ist.
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