DE4437947C2 - Verfahren zur Regelung der Zuführung von wenigstens einem Zusatzfluidstrom in einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

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 ω_IST 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 ω_SOLL 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 y_i, 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 r_i, die vor dem Eingang der Korrek­ tureinrichtung K mit den Führungsgrößen f_i der Minimalvorgabe MV für die Schadstoffe im Abgas zusammengeführt werden. Die daraus resultierenden Regeldifferenzen X_di werden der Korrektureinrich­ tung K zugeführt, die die Stelleinrichtungen S für die verschie­ denen Stellgrößen y_i 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.