DE69207007T2

DE69207007T2 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69207007T2
Application number: DE69207007T
Authority: DE
Inventors: Thomas Ma
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1991-11-22
Filing date: 1992-11-02
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2012-11-03
Also published as: WO1993010338A1; GB2261614A; EP0613520A1; EP0613520B1; DE69207007D1; US5524434A; GB9124859D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor, in welchen flüssiger Kraftstoff vor der Eingabe der Ladung in die Verbrennungsräume zugeführt wird, (z.B. CH-A-603 993).
Bei Benzinmotoren, in denen die Gentischaufbereitung außerhalb der Brennräume stattfindet, beispielsweise durch einen Vergaser, oder wenn Kraftstoffeinspritzvorrichtungen Kraftstoff in den Ansaugstutzen oder Einlaßkanäle leiten, wird die Geschwindigkeitsabnahine des Motors von einer schweren, unvollständigen Verbrennung begleitet, da ein Teil des Kraftstoffes im Ansaugsystem gespeichert wird und dieser von der genäßten Oberflächen der Wände des Ansaugstutzens oder der Einlaßkanäle während des Geschwindigkeitsabnahmemodus durch den hohen Unterdruck im Ansaugstutzen abgestreift wird. Selbst wenn das Kraftstoffsystem während des Verzögerungsmodus völlig ausgeschaltet ist, findet dennoch ein plötzlicher Ausstoß von Auspuffemissionen statt, da die Luftzufuhr des Motors beschränkt wurde und der gespeicherte Kraftstoff im Brennraum mit unzureichender Luft verbrannt wird. Die Dauer dieses Ausstoßes ist verhältnismäßig kurz, die die Menge des gespeicherten Kraftstoffs begrenzt ist, und nachdem er einmal verbraucht ist, gibt es keinen Kraftstoff mehr, dennoch werden während dieser Zeiträume aber unverbrannte Kohlenwasserstoffverbindungen in die Umgebung freigesetzt, da selbst bei einem katalytischen Wandler im Auspuffsystem nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist, mit dem sie oxidieren können.
Die vorliegende Erfindung versucht, diese Quelle der Luftverschmutzung zu beschneiden, indem der Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserverbindungen der Auspuffgase während der Verzögerungsmodi reduziert wird.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verbrennungsmotor geschaffen, in welchen flüssiger Kraftstoff in das Luftansaugsystem eingeleitet wird, bevor die Ladung in die Brennräume eintritt, und der in ein Fahrzeug eingebaut wird, das einem Luftstutzen hat, welcher als eine Quelle von Staudruckluft wirkt, welche durch die Bewegung des Fahrzeugs mit Druck beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Staudruckluft dem Auspuffsystem des Motors durch ein Sperrventil zugeleitet wird, welches nur während der Verzögerungsmodi des Motors geöffnet wird.
Um die Verbrennung der unverbrannten Kohlenwasserstoffverbindungen im Auspuff system zu vollenden, wird eine Quelle zusätzlichen Sauerstoffs benötigt. Bis jetzt wurden zahlreiche Vorschläge unterbreitet, um dem Auspuffsystem bei verschiedenen Betriebsbedingungen Luft zuzuführen. Zu diesem Zweck wurden Impulsluftsysteme vorgeschlagen, die auf das Pulsieren der Gase im Auspuffkrümmer setzen, um während der negativen Druckteile der Takte Luft einzuziehen, aber solche Systeme ziehen während der Verzögerungsmodi keine Luft ein, da die Druckimpulsamplitude in solchen Zeiten erheblich abgeschwächt ist. Elektrisch betriebene Luftpumpen wurden ebenfalls vorgeschlagen, sie haben jedoch eine langsame Ansprechzeit und können nicht schnell genug in Gang gebracht werden, um auf den Eintritt des Motors in einen Verzögerungsmodus zu reagieren. Wenn ein fortlaufend betriebener Luftkompressor aus einem anderen Grund im Fahrzeug vorhanden ist, beispielsweise um die Kraftstoff zerstäubung in einem Kraftstoffeinspritzsystem zu unterstützen, kann dessen Luft natürlich für diesen Zweck abgeleitet werden, jedoch ist es keine wirkungsvolle Lösung, einen Kompressor ausschließlich zu diesem Zweck vorzusehen, da Kosten und Energieverbrauch untragbar wären.
Die vorliegende Erfindung schafft eine praktische, zuverlässige und billige Luftzufuhr, um Kohlenwasserstoffemissionen während der Verzögerungsmodi zu neutralisieren, welche als einziges Bewegungsteil lediglich ein Ventil hat, um dem Auspuffsystem Luft zuzuführen, wenn eine Verzögerung erkannt wurde. Das Ventil kann elektrisch oder durch das Vakuum im Ansaugstuten betätigt werden, wobei letzteres besonders hoch ist, wenn der Motor frei läuft.
Die Erfindung zieht Vorteil aus der Tatsache, daß der Auspuffstaudruck während der Verzögerungsmodi minimal ist und nur ein geringer positiver Druck nötig ist, um die Luft im Auspuffsystem zu stauen. Ferner treten für Luftverschmutzung verantwortliche Verzögerungsmodi meistens auf, wenn das Fahrzeug sich bewegt, und zu solchen Zeiten ist immer Druck der Staudruckluft vorhanden.
Der Druck der Stauluft ist immer vorhanden, wenn sich das Fahrzeug bewegt und es ist möglich, das Sperrventil nicht zu aktivieren, wenn das Fahrzeug unter einer voreingestellten Geschwindigkeit fährt, um so zu vermeiden, daß Auspuffgase ausgestoßen werden, ohne das Aufpuffsystem zu passieren.
Um die vollständige Verbrennung der Kohlenwasserstoffverbindungen durch Wärmeoxydation zu fördern, kann man sich auf die Wärme verlassen, die in den Auspuffgasen enthalten ist, kurz nachdem sie den Brennraum verlassen haben und bevor sie im Auspuffrohr abgekühlt worden sind. Aus diesem Grunde ist vorzuziehen, daß die Staudruckluft jedem Auspuffkanaleinzeln über eine Schiene mit Verzweigungen zuzuleiten, die durch die Verzweigungen des Auspuffkrümmers hindurchführen und ganz nahe an den Auspuffventilen enden.
Alternativ ist es möglich, sich auf einen katalytischen Wandler zu stützen, um die Verbrennung zu vervollständigen und in diesem Fall kann die Staudruckluft an einem gemeinsamen Punkt auf der Oberwasserseite des katalytischen Wandlers eingespritzt werdend.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben; worin:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Motors der vorliegenden Erfindung ist,
Figur 2 eine schematische Seitenansicht des Motors der Figur 1 zeigt, und
Figur 3 eine Ansicht ist, die der der Figur ähnelt und einen Motor mit einer alternativen Anordnung des Auspuffsystems zeigt.
Bezugzehmend auf die Figuren 1 und 2, worin ein Motor 12 einen Auspuffkrümmer hat, der zu einem Ablaßrohr 14 führt, das einen katalytischen Wandler 40 enthält. Ein Luftstutzen ist an einer Stelle am Fahrzeug befestigt, an welcher ein positiver aerodynamischer Druck als Folge der Fahrzeugbewegung entwickelt wird, zum Beispiel an einer nach vorne gerichteten Position im Bug des Fahrzeugs. Der Luftstutzen 34 ist durch ein beliebiges Rückschlagventil 38 und ein Sperrventil 36 mit einer Verteilerschiene 42 verbunden, die einzelne Verzweigungsrohre 44 hat, welche durch die Verzweigungen des Auspuffkrümmers hindurchführen und angrenzend an die Auspuffventile des Motors enden. Bei der alternativen Anwendungsform der Figur 3 werden die Verzweigungsrohre 44 weggelassen und stattdessen wird die Schiene auf der Oberwasserseite des katalytischen Wandlers 40 mit einem Punkt verbunden, der den Auspuffgasen aller Motorzylinder gemeinsam ist.
Auf der Ansaugseite hat der Motor einen Ansaugstutzen 20 mit einer Drossel 24 zur Regelung der Motorlast und Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 22, die in der Nähe der einzelnen Ansaugkanäle angeordnet sind.
Das Sperrventil 36 ist nur während der Verzögerungsmodi geöffnet, d. h., wenn das Drosselventil des Motors 24 geschlossen ist und der Motor freiläuft. Bei einem solchen Betrieb ist das Vakuum im Ansaugstutzen für die besondere Motordrehzahl hoch. Diese Bedingung kann mit einer (nicht abgebildeten) elektronischen Steuereinheit erkannt werden, die mit einem Drehzahlsensor und einem Sensor für den Druck im Ansaugstutzen verbunden ist und so angeordnet ist, daß sie ein Signal zur Öffnung des Sperrventils 36 sendet, sobald das Vakuum im Ansaugstutzen einen vorgegebenen, drehzahlbezogenen Schwellwert überschreitet. Alternativ kann das Ventil 36 direkt über ein Vakuumbetätigungselement geregelt werden, so daß eine elektronische Steuerung nicht länger erforderlich ist.
Im Betrieb, wenn die Drossel 24 geschlossen ist, um das Fahrzeug zu verlangsamen, wobei der Motor zum Bremsen eingesetzt wird, ist der in der Nähe der Einlaßkanäle liegende Stutzen 20 immer noch kraftstoffbenäßt und dies führt zu einem schweren Gemisch, das in den Brennräumen verbrannt wird, trotz der Tatsache, daß über die Einspritzvorrichtungen 22 kein weiterer Kraftstoff mehr eingeleitet wird.
Die Brennladung enthält nicht genügend Luft, um die völlige Verbrennung des Kraftstoffes zu erreichen, und die Überwachung der Kohlenwasserstoff- und der Kohlenmonoxidemissionen auf der Grundlage der einzelnen Takte ergibt starke Zunahmen der Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidkonzentrationen, die nach und nach abnehmen, bis der Kraftstoff, der den Stutzen näßt, aufgebraucht ist.
Man könnte diesem Problem durch Zuleitung von Luft auf der Ansaugseite entgegenwirken, um das übermäßig schwere Gemisch zu vermeiden, welches dieses Problem verursacht, aber dies ist keine entwicklungsfähige Lösung, da sie die Motorbremsung nachteilig beeinflußt und den Fahrer durcheinanderbringt.
Die vorliegende Erfindung basiert daher auf der Bekämpfung dieses Emissionsanstiegs, indem Staudruckluft in das Auspuffsystem geleitet wird, um die Verbrennung dieser Emissionen zu vervollständigen, bevor sie in die Umgebung entladen werden. Die Vervollständigung der Oxydation kann entweder in dem katalytischen Wandler 40 stat£finden, falls ein solcher vorhanden ist oder durch Wärmeoxydation, die von der Wärme Gebrauch macht, die in den Auspuffgasen gleich nach dem Verlassen der Brennräume bereits vorhanden ist. Findet die Oxydation in einem katalytischen Wandler statt, ist der Punkt der Lufteinspritzung nicht entscheidend, solange er auf der Oberwasserseite des Wandlers 40 liegt. Soll jedoch eine Wärmeoxydation stattfinden, ist es wichtig, die Luft so nahe wie möglich an den Auspuffventilen einzuspritzen, bevor die Gase auch nur die Gelegenheit hatten, von den Wänden der Auspuffkanäle und des Auspuffsystems abgekühlt zu werden.
Die Staudruckluft ist vorhanden, wenn sich das Fahrzeug in Bewegung befindet und erfordert keinerlei Aufwand für einen Kompressor. Ferner ist der Druck der Staudruckluft ständig vorhanden, wohingegen ein Kompressor nach seiner Ersteinschaltung einige Zeit benötigt, bis er seine Vollleistung aufgebaut hat. Da ein schnelles Ansprechen nötig ist, müßte man einen Kompressor ständig laufen lassen, und der Energieverbrauch des Kompressors wäre nicht gerechtfertigt.
Der Gegendruck im Auspuff während der Verzögerungsmodi ist minimal und zu solchen Zeiten gibt es keinen ernsthaften Widerstand gegen die Einspritzung von Luft. Der Druck der Staudruckluft ist daher für diesen Zweck mehr als ausreichend.
Wird ein elektronisches Steuersystem eingesetzt, um das Sperrventil 36 zu öffnen, kann garantiert werden, daß der Druck der Staudruckluft größer ist als der Gegendruck im Auspuff, wenn das Sperrventiß6 offen ist, wodurch jedwede Möglichkeit eines Rückflusses von Auspuffgasen durch den Luftstutzen 36 entfällt. Würde ein vakuumbetriebenes Sperrventil verwendet, oder wäre eine zusätzliche Sicherheit bei Einsatz einer Elektroniksteuerung erforderlich, kann sichergestellt werden, daß ein solcher Rückfluß nie eintritt, indem ein weiteres Rückschlagventil 38 in Reihe mit dem Sperrventil 36 angeordnet wird, dann ist es jedoch wichtig, daß ein Rückschlagventil verwendet wird, das sich bei sehr niedrigen Drücken öffnet, um einen übermäßigen Druckabfall über das Rückschlagventil 38 zu vermeiden.

Claims

1. Verbrennungsmotor (12), in welchen flüssiger Kraftstoff in das Luftansaugsystem (20) eingeleitet wird, bevor die Ladung in die Brennräume eintritt, und welcher in ein Fahrzeug eingebaut wird, das einen Luftstutzen (34) hat, der als eine Quelle von Staudruckluft wirkt, welche durch die Bewegung des Fahrzeugs mit Druck beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Staudruckluft dem Auspuffsystem (14) des Motors (12) durch ein Sperrventil (36) zugeleitet wird, welches nur während der Verzögerungsmodi des Motors geöffnet wird.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei welchem das Sperrventil (36) von einer elektronischen Steuereinheit betrieben wird, die Sensoren hat, die das Vakuum im Ansaugstutzen und die Motordrehzahl erkennen, wobei das Ventil geöffnet wird, wenn das Vakuum im Ansaugstutzen einen drehzahlbezogenen Schwel lwert überschreitet.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei welchem das Sperrventil (36) von einem Vakuumbetätigungselement betätigt wird, das mit dem Vakuum im Ansaugstutzen verbunden ist.

4. Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem ein Rückschlagventil (38) mit dem Sperrventil (36) in Reihe angeordnet ist.

5. Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Staudruckluft einzeln jedem Auspuffkanal über eine Schiene mit Verzweigungen zugeführt wird, die durch die Verzweigungen des Auspuffkrümmers hindurchführen und ganz nah an den Auspuffventilen enden.

6. Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, der einen katalytischen Wandler hat und in welchen Staudruckluft dem Auspuffsystem auf der Oberwasserseite des katalytischen Wandlers an einem Punkt zugeleitet wird, der allen Motorzylindern gemeinsam ist.