DE69114490T2 - System zur steuerung der abgas-temperatur eines katalytisch gereinigten verbrennungsmotors. - Google Patents

System zur steuerung der abgas-temperatur eines katalytisch gereinigten verbrennungsmotors.

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Description

    Gebiet der Erfindung:
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Abgastemperatur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
    • Technischer Hintergrund:
  • Die Forderungen nach Reduzierungen bei für die Umwelt gefährlichen Abgasemissionen von Autos, welche durch einen Verbrennungsmotor angetrieben werden, wachsen an, während gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch vermindert wird. Die Entwicklung hat zu Motoren mit einem hohen Kompressionsverhältnis für maximalen Wirkungsgrad geführt, welche auch mit vergleichsweise geringwertigem Kraftstofflaufen können.
  • Als eine Konsequenz dieser modernen Motoren neigt die Temperatur in dem Abgasstrom zur Erhöhung. Diese Wärmeenergie fördert die Vernichtung der Reststoffe in den Abgasen, jedoch kann es schwierig sein, die Wärme von dem Motorgehäuse abzuführen. Die erhöhte Wärmeenergie verstärkt die Tendenz zu Motorklopfen, und insbesondere für turbogeladene Motoren kann die Wärme bis zur Ansaugseite hinüberdringen und die Kraftstoff/Luftmischung negativ beeinflussen.
  • Es ist ferner wünschenswert, daß der Katalysator, welcher in dem Abgassystem des Motors montiert ist, so hergestellt werden kann, daß er unter möglichst günstigen Bedingungen arbeiten kann. Dies impliziert, daß der Katalysator seine normale Arbeitstemperatur so schnell wie möglich nach einem Kaltstart erreichen sollte, so daß die für die Umwelt gefährlichen Abgasemissionen auf ein Minimum reduziert werden. Die zuvor beschriebenen Probleme mit erhöhter Abgastemperatur können auch die Emissionssysteme beschädigen, wobei die Verschlechterung der katalytischen Reinigung gefördert wird.
  • Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 193 622 beschreibt ein bekanntes Gerät zur Steuerung der Abgastemperatur bei einem Verbrennungsmotor. Das Gerät enthält einen Temperatursensor, welcher an eine Kontrolleinheit angeschlossen ist. Die Aufgabe von diesem Gerät ist es, ein schnelles Erwärmen des Katalysators zu erreichen.
  • Ein Verfahren nach dem Stande der Technik zur Reduzierung der Abgastemperatur besteht darin, ein kühlendes Medium in die Verbrennungskammer des Motors bei solchen Betriebsbedingungen zu sprühen, wenn die Temperatur dazu tendiert, über das höchste erlaubte Niveau zu steigen. Ein System für eine Feed-back- Steuerung der Abgastemperaturregelung wird in der schwedischen Patentanmeldung 8802226-4 beschrieben, wobei die Temperaturfühlvorrichtung, welche innerhalb des Abgaskanals angeordnet ist, an einen Regler angeschlossen ist, welcher die Zuführung des kühlenden Mediums zu der Verbrennungskammer steuert.
  • Es ist ebenfalls bekannt, eine elektrische Vorwärmung des Abgasstromes dem Katalysator zuzuordnen, wobei der Zweck dieser Vorerwärmung darin liegt, die Erwärmung des Katalysators auf die normale Arbeitstemperatur nach einem Kaltstart zu fördern.
  • Die zunehmende Verwendung verschiedener getrennter Systeme zur Steuerung verschiedener Parameter in dem Emissionssteuersystem des Automotors führt zu erhöhter Komplexität, sowohl in bezug auf die Herstellung als auch in bezug auf späteren Service und Reparatur. Es ist daher von größter Bedeutung, eine bessere Integration dieser Systeme zu schaffen, insbesondere da die Unterschiede in den Systemen sehr bedeutend in bezug auf Vergaser-, Einspritz- und Turbomotoren sind.
    • Das technische Problem:
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gerät zur Steuerung der Abgastemperatur, sowohl für die Beseitigung der Pröbleme bei erhöhter Temperatur als auch der Probleme beim Erreichen der normalen Arbeitstemperatur in dem Katalysator nach einem Kaltstart zu schaffen.
    • Die Lösung:
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, welche ferner eine Einrichtung zur Veränderung der Motorleistung durch Steuerung der Öffnungsdauer der Einlaßventile enthält. Dieses Gerät kann sowohl bei Vergaser-, Einspritz- als auch turbogeladenen Motoren zur Optimierung der Emissionssteuerung verwendet werden. Es ist möglich, eine einzige Steuervorrichtung für verschiedene Motoranwendungen zu verwenden, oder die Steuereinheit kann verschiedene Steuervorrichtungen für verschiedene Anwendungen verwenden.
  • Die beigefügten Unteransprüche beschreiben verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen dieser Steuervorrichtung.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines turbogeladenen Verbrennungsmotors mit einem Steuersystem gemäß der Erfindung, welches mit einer Anzahl an Steuervorrichtungen ausgerüstet ist; und
  • Fig. 2 ein Blockdiagramm, welches die Anordnung des Steuersystems darstellt.
    • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung:
  • Fig. 1 zeigt die Erfindung bei Anwendung bei einem Verbrennungsmotor mit einem abgasangetriebenen Turbolader, wobei der Motor mit einer Anzahl verschiedener Steuervorrichtungen versehen ist, welche normalerweise nicht gleichzeitig bei einem Motor vorliegen, sondern in dieser Weise zur Erläuterung der Erfindung dargestellt sind.
  • In Fig. 1 bezeichnet 10 ein Ansaugrohr, welches zwischen einem in der Zeichnung nicht gezeigten Luftfilter und der Laderotorkammer 12 des Turboladers 11 verläuft. Ein Einlaßkanal 13 verläuft zwischen der Laderotorkammer 12 und der Verbrennungskammer 14 des Motors über das Einlaßventil 15. Die Motorkurbelwelle wird mit 16 bezeichnet, die Pleuelstange mit 17 und der Kolben mit 18.
  • Eine Abgassamelleitung 19 verläuft, ausgehend von der Verbrennungskammer 14 des Motors, über das Auslaßventil 20 zur angetriebenen Rotorkammer 21 des Turboladers 11. Ein Abgasrohr 22 verläuft von der zuletzt erwähnten Kammer 21 zu der Außenatmosphäre über einen Katalysator 23. In einer auf diesem Gebiet bekannten Weise können durch ein Umgehungsventil 24 Abgase, die angetriebene Rotorkammer 21 umgehen und direkt in das Abgasrohr 22 gelangen, wenn der Ladedruck in dem Einlaßkanal 13 einen Maximalwert überschreitet.
  • Eine Steuereinheit 25 ist an einen Sensor 26, an der Sammelleitung 19 angeschlossen, beispielsweise ein Thermoelement, und weist elektronische Schaltkreise zur Umwandlung des von dem Thermoelement ausgehenden Signals in ein Steuersignal auf. Dieses Steuersignal kann gemäß der Erfindung für eine Mikroprozessorsteuerung der verschiedenen Steuervorrichtungen derart verwendet werden, daß die Abgastemperatur optimiert wird.
  • Diese Steuervorrichtungen enthalten ein Gerät 27 zur Zuführung von Nebenluft zu der Sammelleitung 19. Diese Zuführung von Nebenluft führt zur Verbrennung von unverbrannten Kraftstoffresten innerhalb der Sammelleitung, was die Abgastemperatur erhöht, wobei Reduzierungen der Zeitdauer zum Erwärmen des Katalysators auf dessen normale Betriebstemperatur nach einem Kaltstart ermöglicht werden.
  • Alternativ dazu kann ein elektrisch betriebener Vorerwärmungskatalysator 28 zur Erhöhung der Abgastemperatur verwendet werden, wenn die Steuereinheit 25 eine unterdurchschnittliche Abgastemperatur erfaßt.
  • Die Steuereinheit 25 kann auch an das System 29 zur Zuführung eines Kraftstoffes (Kraftstoffeinspritzung) für die Steuerung dieses Parameters zur Erhöhung der Abgastemperatur nach einem Kaltstart angeschlossen sein.
  • Das Abgassystem 22 kann auch ein Drosselklappenventil 30 für eine Feed-back-Steuerung des Abgasgegendruckes enthalten, d.h. ein Drosselklappenventil, welches in Reihe hinter dem Katalysator montiert ist und es ermöglicht, die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase durch das Abgassystem zu vermindern, was ebenfalls die Abgastemperatur erhöht.
  • Diese zuletzt genannte Anordnung mit Drosselklappenventil 30 kann auch zur Reduzierung der Abgastemperatur verwendet werden, wobei das Ventil zur Erhöhung der Gasströmungsgeschwindigkeit durch das Abgasrohr geöffnet wird, was zu einer Verminderung der Abgastemperatur führt.
  • Eine Vorrichtung 31 zur Steuerung der Zeitpunkte für das Öffnen und Schließen der Ventile kann ebenfalls zur Regulierung der Abgastemperatur sowohl nach oben als auch nach unten verwendet werden. Beispielsweise kann die Öffnungsdauer des Einlaßventils für eine Begrenzung der von dem Motor abgegebenen Leistung verwendet werden, wobei die Abgastemperatur vermindert wird. Falls andererseits das Auslaßventil zeitlich so gesteuert wird, daß es früher als normal öffnet, werden unverbrannte Gase in die Sammelleitung ausströmen und innerhalb dieses Kanals verbrennen, wobei dies zu einer erhöhten Abgastemperatur führt, welche zur Beschleunigung des Aufwärmens des Katalysators auf dessen normale Betriebstemperatur nach einem Kaltstart verwendet werden kann.
  • Die Steuereinheit 25 kann nachfolgend an eine Vorrichtung zur Regulierung des Zündungssystems 32 des Motors angeschlossen werden, so daß eine Verminderung der Leistungsabgabe über die Steuerung des Zündungszeitverlaufes für eine Verminderung der Abgastemperatur erreicht wird. Falls andererseits der Zündungszeitpunkt verzögert wird, wird ein Teil der Verbrennung von der Verbrennungskammer 14 hinaus in die Sammelleitung verlagert, was wiederum wie bei dem zuvor beschriebenen Beispiel zu einer erhöhten Abgastemperatur führt, welche zur Beschleunigung des Erwärmens des Katalysators auf dessen normale Betriebstemperatur nach einem Kaltstart verwendet werden kann.
  • Eine Reduzierung der Abgastemperatur kann herbeigeführt werden, indem man die Steuereinheit 25 an das Ventil 24 derart anschließt, daß der Ladeüberdruck des Motors, d.h. die Leistungsabgabe, in bezug auf die Abgastemperatur gesteuert werden kann.
  • Zusätzlich kann eine Drosselvorrichtung 33 oder 34, welche durch die Steuereinheit 25 reguliert wird, dazu benutzt werden, die Motorabgabeleistung zu vermindern, falls die Abgastemperatur über ein maximal erlaubtes Niveau ansteigt. Bei der Drosselvorrichtung 33 kann es sich beispielsweise um ein elektronisch gesteuertes Drosselventil handeln, während es sich bei der Drosselvorrichtung 34 beispielsweise um eine Feed-back-gesteuerte Hilfsdrossel handeln kann, welche in Reihe mit der Hauptdrossel verwendet wird und durch eine "elementarere" Elektronik als die vorher beschriebene gesteuert wird.
  • Der Temperatursensor 26 der Steuereinheit 25 kann derart entworfen sein, daß er in die Sammelleitung 19 vorsteht. Alternativ dazu kann er so ausgelegt sein, daß er die Materialtemperatur mittels eines geeigneten Steueralgorithmus mißt.
  • Fig. 2 stellt schematisch dar, wie die Steuereinheit 25 mit der Sensoreinrichtung 26 Eingangsdaten empfängt und wie sie elektrisch an die Steuervorrichtung 24, 27-34 angeschlossen ist.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Steuerung der Abgastemperatur bei einem Verbrennungsmotor mit einem Abgassystem (19, 22) mit wenigstens einem Katalysator (23), Einlaß- und Auslaßventilen (15, 20) und mit wenigstens einer Temperaturfühleinrichtung (26) zum Abfühlen der Abgastemperatur, welche mit einer Steuerungseinheit (25) verbunden ist, die ihrerseits mit einer Steuerungseinrichtung (24, 27 - 34) zur Steuerung wenigstens eines Motorbetriebsparameters und zur Veränderung der Abgastemperatur über die Steuerung der Öffnung der Auslaßventile (20) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (24, 27 - 34) weiterhin eine Einrichtung (31) zur Änderung der Motorleistung über das Steuern der Öffnungsdauer der Einlaßventile (15) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung eine Einrichtung (32) zur Steuerung des Zündzeitpunkts aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung eine Einrichtung (30) zur Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases durch das Abgassystem (22) aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung eine Einrichtung (33; 34) zur Steuerung der Gasströmungsgeschwindigkeit in dem Gasstrom am Einlaß des Motors aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung eine Einrichtung (29) zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr zu dem Motor aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung einen elektrisch beheizten Kühler (28) aufweist, der in dem Abgassystem (22) stromaufwärts von dem Katalysator (23) zum Heizen des Abgasstroms angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Motor mit einem Auflader (11) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung eine Einrichtung (24) zur Steuerung des Ladeüberdrucks aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühleinrichtung (26) ein Thermoelement ist, das in den Abgaskanal (19) nahe eines der Auslaßventile (20) vorsteht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühleinrichtung (26) für das Abfühlen der Materialtemperatur in dem Motorauspuffkrümmer (19) vorgesehen ist.
DE69114490T 1990-04-25 1991-04-24 System zur steuerung der abgas-temperatur eines katalytisch gereinigten verbrennungsmotors. Expired - Fee Related DE69114490T2 (de)

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