DE2528760C3

DE2528760C3 - Regeleinrichtung für die Rückführung von Abgas

Info

Publication number: DE2528760C3
Application number: DE2528760A
Authority: DE
Inventors: Hans 4060 Viersen Baumgartner
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 1975-06-27
Filing date: 1975-06-27
Publication date: 1980-12-11
Also published as: FR2317495B1; GB1545848A; FR2317495A1; IT1073958B; DE2528760B2; DE2528760A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für die Rückführung von Abgas aus der Auspuffleitung in die

Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine zur Verringerung des Schadstoffanteils im Abgas, wobei in einer Rückführleitung ein in Abhängigkeit vom Gasdurchsatz des Motors über einen Druckwandler gesteuertes Ventil vorgesehen ist, dessen Stellglied om Saugrohrdruck

beeinflußt wird und der Eingang des Druckwandlers einem Maschinendruck ausgesalzt ist und dessen Ausgang in Verbindung mit dem Stellglied steht.

Um die gesundheitsschädlichen Anteile im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine zu reduzieren, dient als sehr wirksame Maßnahme, insbesondere zur Reduzierung der NO.-Anteile. die Rückführung von bestimmten Abgasmengen. Diese Zugabe eines nicht an der Verbrennung beteiligten Gases bewirkt eine Herabsetzung der Verbrennungstemperatur, so daß

weniger Stickoxid entsteht. Andererseits jedoch vermindert dieses Inertgas bei Vollast die Zylinderfüllung und verschlechtert den Rundlauf der Maschine bei niederen Drehzahlen, was sich besonders im Leerlauf auswirkt. Um bei Vollast die maximale Leistung zu

erhalten und im Leerlauf einen ruhigen Lauf zu garantieren, soll in diesen Bereichen keine Abgasrückführung stattfinden. Zudem ist beim Leerlauf die Abgasemission klein, da der Gasdurchsatz und die Zylinderfüllung klein ist, außerdem die Verbrennungs-

temperaturen niedriger sind und entsprechend auch die Stickoxidemission. Im Teillastgebie; hingegen ist die Stickoxidemission besonders hoch und deshalb besonders gefährlich, weil im Stadtverkehr, für den die schärfsten Abgasbestimmungen gelten, hauptsächlich im Teillastbereich gefahren wird, jedoch erwünscht ist, daß bei kurzfristiger Vollast, wie sie beispielsweise beim Überholen auftritt, die Abgasrückführung unterbrochen wird. Weniger streng sind die Vorschriften hingegen bei

Überlandfahrt, bei der unter Vollast die maximale Leistung erforderlich ist und bei der die Häufung von giftigen Abgasen geringer ist. Die Verminderung der Entstehung von Stickoxiden im Verbrennungsprozeß des Ottomotors mittels Abgasrückführung beruht darauf, daß auch Beimengung eines größeren Inertgas-Anteils zum Ansauggemisch die max. Verbrennungstemperaturen gesenkt werden, da die Zylinderfüllung nun bei gleicher Energieumsetzung über eine höhere Wärmekapazität verfügt Dabei zeigt es sich, daß im Bereich hoher Verbrennungstemperaturen (etwa 2800 K.) sehr hohe ΝΟ,-Absenkraten pro 100 Grad Temperaturabsenkung erzielt werden, während bei bereits niedrigem Temperatur-Niveau (etwa 2500 K) eine weitere Senkung der Verbrennungsteniperatur nur noch sehr geringen Einfluß auf die ΝΟ,-Entstehung hat. Die Absenkung der Verbrennungstemperatur bei bereits niedrigem Temperatur-Niveau hat vielmehr einen sehr scharfen Anstieg an unverbrannten Bestandteilen im Abgas, z. B. Kohlenwasserstoffen, zur Folge.

Aus dem NQ,-Kennie!d eines typischen Ottomotors ist ersichtlich, daß bei gleichem Luftdurd^atz, z. B. 50 kg Luft/h die ΝΟ,-Konzentration von etwa 500 ppm bei η = 4000 l/min auf etwa 1800 ppm bei η = 2000 l/min ansteigt.

Ursache für diesen Verlauf der Kennlinien ist einmal, daß im Betriebspunkt 50 kg Luft/h bei 4000 l/min die Zylinderfüllung pro Arbeitsspiel jeweils nur halb so groß ist wie bei 50 kg Luft/h und 2000 I/min und deshalb die Verbrennung bei niedrigerem Druck- und Temperatur-Niveau abläuft. Zum anderen tritt im Bereich niedriger Last und damit hohen Saugrohrunterdruck eine erheblich höhere »innere Abgasrückführung« als Folge der Ventilüberschneidung auf als dies im Bereich hoher Last und damit niedrigem Saugrohrunterdruck der Fall ist.

Als »innere Abgasrückführung« bezeichnet man die Abgasmengen, die beim Öffnen des Einlaßventils (bei noch nicht geschlossenem Auslaßventil) ins Saugrohr auspuffen b_w. als Folge des Saugrohrunterdruckes aus ίο dem Abgasrohr über Auslaß- und Einlaßventil ins Saugrohr zurückgesaugt werden.

Die innere Abgasrückführung ist gerade im Bereicn hohen Saugrohrunterdruckes besonders wirksam, da durch die große Druckdifferenz größere Mengen Abgas zurückges&agt werden, als dies z. B. bei den niedrigen Saugunterdrücken nahe dem Vollastbereich geschieht, und zudem die zurückgesrugten Abgasmengen bei der geringeren Zylinderfüllung einen höheren prozentualen Anteil ausmachen. so

Zur Erfüllung dieser Erfordernisse ist aus der DE-OS 23 15 734 tine Regeleinrichtung für die Abgasrückführung bei Brennkraftmaschinen bekannt, bei der eine Steuereinrichtung in einem Bereich zwischen dem ersten Teil der Abgasrückführungsleitung und dem Ventilsitz des Regelventils einen im wesentlichen konstanten Druck aufrechterhält und ein das Ventilglied gegen den Ventilsitz drückende Feder enthält sowie eine mit dem Ventilglied verbundene druckempfindliche Membran, die eine Kammer begrenzt, die über eine erste öffnung mit dem Ansaugkanal stromab der Drosselklappe und über eine zweite öffnung mit der Außenluft verbunden ist, um in dieser Kammer einen auf die Membran wirkenden Steuerdruck zu bilden, wozu der einen öffnung ein Steuerventil zugeordnet ist, dessen Ventilglied mit einer auf den Druck in dem eingangs erwähnten Bereich ansprechenden Vorrichtung so verbunden ist, daß es bei Druckerhöhung in dem erwähnten' Bereich den Steuerdruck senkt, so daß die Membran die ihr zugeordnete Feder überwindet und das Regelventil zur Erhöhung der rückgewinnen Abgasmenge öffnet, während bei sinkendem Druck in dem erwähnten Bereich das Steuerventil durch eine es belastende Feder verstellt, den Steuerdruck erhöht und das Schließen des Regelventils durch seine Feder zur Verringerung der rückgeführten Abgase bewirkt

Mit dieser Einrichtung wird die möglichkeit geschaffen, Abgas hinter der Drosselklappe in einen Bereich stark veränderlichen Saugrohrunterdruckes zu leiten, und den Effekt auszunutzen, mit einem konstanten Strömungswiderstand in der Rückführleitung eine Proportionalrückführung zu erzielen.

Dies geschieht dadurch, daß in Strömungsrichtung hinter dem konstanten Strömungswiderstand der veränderliche Ventilquerschnitt des Membranventils angeordnet ist, dessen öffnung durch einen geschlossenen Regelkreis, bestehend aus Druckentnahme im Raum zwischen konstantem Ström· .--.gswiderstand und veränderlichem Ventüquerschnitt, rheumatischem Drosselverstärker und dem Membranventil als Stellglied stets so entsprechend den Störgrößen Saugrohrunterdruck und Abgasgegendi uck verändert wird, daß im Raum zwischen dem konstanten Strömungswiderstand und veränderlichem Ventilquerschnitt ein nahezu konstanter Druck herrscht.

Im Idealfall würde durch eine derartige Regeleinrichtung eine proportionale Abgasrückführung bewirkt. Tatsächlich treten jedoch noch erhebliche Abweichungen von der Proportionalität auf, da das hier angewandte »Regelsystem mit Ausgleich« auftretende Regelabweichungen nur zum Teil beseitigt und sich der Saugrohi unterdruck in zweifacher Weise als Störgröße bemerkbar macht.

Erstens bewirkt die Summe der Kräfte aus Saugrohrunterdruck und Regeldruck auch bei diesem Ventil eine zusätzliche öffnung des veränderlichen Venriiquerschnitts, da die Kraftwirkung aus dieser Druckdifferenz mal Ventilquerschp'tt der Rückstellkraft der Membranfed;r entgegenwirkt und den Hub und damit die Öffnung des Ventils solange vergrößert, bis ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht wird Dieser Gleichgewichtszustand wird dadurch bewirkt, daß als Folge der zusätzlichen Öffnung des Ventils (bei Erhöhung des Saugrohrunterdruckes) der Regeldruck im Raum zwischen konstantem Strömungswiderstand und veränderlichem Ventüquerschnitt absinkt und damit auch das Steuersignal auf die Arbeitsmembrane des Ventils durch den pneumatischen Verstärker auf einen niedrigeren Wert geregelt wird, so daß die Druckkraft an der Ventilmembrane absinkt. Ferner wächst als Folge des größeren Ventilhubes die Rückstellkraft der Feder an. Die Regeleinrichtung kann den Störeinfluß des Saugrohrunterdruckes *vcht vollständig beseitigen, da der Regeldruck sich um einen bestimmten Wert ändern muß, um über den pneumatischen Verstärker eine Änderung des Steuersignals zu bewirken. Die bleibende Regelabweichung muß durch einen Anstieg der Federkraft und damit durch einen entsprechenden Ventilhub ausgeglichen werden.

Ein zweiter Störeinfluß des Saugroni Unterdruckes wird unmittelbar am pneumatischen Drosselverstärker wirksam.

Bei diesem Verstärkerpriiizip wird der als »Hilfsenergie« angelegte Saugrohrunterdruck im Verhältnis des Widerstands einer festen und einer veränderlichen Drossel untersetzt, in dem über die veränderliche

Drossel eine Belüftung des Raumes /wischen den beiden Widerständen erfolgt. Bei konstantem Saugrohrunterdruck wird der Ausgangswert des Verstärkers ausschließlich über den durch dert Hub der Verstarkcrmembrane bestimmten Betrag des veränderlichen Drosselwiderstandes bestimmt.

Jedoch bewirkt auch eine Änderung des Saugrohrunterdruckes eine Änderung des Ausgangssignals des Verstärkers um den gleichen Prozentsatz, da ja der .Saugrohrunterdruck durch dieses Drosselsystem zur Bildung des Ausgangssignals lediglich in einem bestimmten vom Hub der Verstärkermembrane abhängi gen Verhältnis untersetzt wird.

Die Wirkung des Saugrohrunterdruckeinflusses über den Verstärker auf die Vcntilstcllung ist dabei so. daß bei Erhöhung des Saugrohrunterdruckes der Ventilhub und damit die öffnung des Ventils vergrößert wird. Zwar kann dieser Saugrohrunterdruckeinfluß auch zum Teii durch die Regeifunktion ausgeglichen werden, jedoch bleibt auch hier eine bleibende Regelabweichung, die durch höhere Vorspannkraft der Membranfeder und damit größerem Vcntilhub ausgeglichen werden muß.

Es zeigt sich, daß hier durch die störende Wirkung des Saugrohrunterdruckes Abweichungen von der Proportionalität der Abgasrückführung auftreten, die gerade im Bereich niedriger Last und damit hohen Saugrohrunterdruckes eine überproportionale Erhöhung bewirken und damit den Erfordernissen einer optimal an die Gegebenheiten der Stickoxid-Entstehung angepaßten äußeren Abgasrückführung zuwiderlaufen.

Ferner ist aus der DE-AS 22 21 152 eine Regeleinrichtung bekannt, bei der ein Membranventil und ein Venturisignalverstärker vorgesehen sind. Das Membranventil wird dabei mit einem Unterdruck beaufschlagt, der um ein bestimmtes Vielfaches höher ist als der Unterdruck im Lufttrichtcr des Vergasers. Der Verstärker ist nach dem Prinzip des Alternativverstärkers aufgebaut, bei dem das Übersetzungsverhältnis ausschließlich durch das Flächenverhältnis der beiden Membranen bestimmt ist. Die Höhe des als »Hilfsenercriptt αησρ|ρσ1ί>η ^piicrrnhriin!r»rHriirL· i»Q hat lipinpn

Einfluß auf das Ausgangssignal, solange der Saugrohrunterdruck größer ist als ein dem Flächenverhältnis der Verstärkermembranen entsprechendes Vielfaches des Lufttrichterunterdruckes.

Wird der Saugrohrunterdruck niedriger, als dieses Vielfache des Lufttrichterunterdruckes, so erfolgt die Steuerung des die Abgasrückführung steuernden Membranventils rein saugrohrunterdruckabhängig. Um diesen Fall auszuschließen, ist dem Verstärker ein ausreichend zu dimensionierendes Unterdruckreservoir vorzuschalten, mit dem z. B. Beschleunigungsphasen überbrückt werden können.

Die Abschaltung der Abgasrückführung nahe der Vollast bzw. bei hohen Drehzahlen erfolgt durch ein zusätzliches Membran-Vorsteuerventil, welches auf der einen Seite der Membrane mit dem Saugrohrunterdruck und auf der anderen Seite mit dem Lufttrichterunterdruck beaufschlagt ist und das das vorgeschaltete Unterdruckreservoir sofort auf den im Saugrohr herrschenden Unterdruck belüftet sobald dieser niedriger wird als der Lufttrichterunterdruck.

Es ist ersichtlich, daß hier lediglich bei einem bestimmten Gemischdurchsatz des Motors und einem diesem Gemischdurchsatz zugeordneten, bestimmten Lufttrichterunterdruck ein wiederum diesem jeweiligen Lufttrichterunterdruck und Gemischdurchsatz fest zugeordneten Ausgangsunterdruck des Unterdruckvcr stärkers auf die Membrane eines den zurück/uleitencler Abgasstrom steuernden Ventils geleitet wird.

Vernachläßigt man zunächst unmittelbar auf der Ventilhub einwirkende Störgrößen, so ergibt eir konstanter Ausgangsdruck des Unterdruckverstärker eine gleichbleibende Ventilstellung und damit einer gleichbleibenden freien Durchtrittsquerschnitt am Ven til. Da jedoch im Bereich niedriger Last und damii

ίο hohem Saugrohrunterdruck die an dem Ventilquerschnitt anliegende Druckdifferenz (Betrag Saugrohruntcrilruck + Betrag Abgasgegendruck) größer ist als im Bereich höherer Last, ergibt sich im Bereich niedriger Last bei gleichbleibender Ventilstellung ein größerer

Ii Durchfluß als im Bereich höherer Last. Diese Abweichung von der Proportionalität läuft jedoch den Anforderungen an eine ideale äußere Abgasrückführung gerade zuwider, da hier im Bereich niedriger Last tier Moiifii inneren AugasiiKkiünning uriu u'eii iiticri als Folge der geringen Füllung niedrigeren Spitzenverbrcnnungstenipcraturen. die an sich niedrigeren NO₁-Emissionen bewirken, eine überproportionale hohe äußere Abgasrückführung überlagert wird.

Hierdurch werden CH-Emission, Kraftstoffverbrauch

2") und Fahrbarkeit im Bereich niedriger Last nachteilig beeinflußt, während andererseits wegen der schon sehr geringen ΝΟ,-Emission keine bedeutende Absenkung des Stk,ioxid-Ausstoßes in diesem Betriebszustand bewirkt werden kann. Stellt man die Abgasrückführung jedoch auf so niedrige Rüekführmengen ein. daß diese nachteiligen Auswirkungen vermieden werden, se werden im Bereich höherer Last trie Möglichkeiten dci Abgasrückführung zur Stickoxid Absenkung nicht an nähernd ausgenutzt.

Hiervon ausgehend, liegt der Erfindung die /Vufgabc zugrunde, eine Regeleinrichtung /u schaffen, die die Abgasrückführmenge allen Betriebs/uständen optimal anpaßt, um eine hohe Verminderung eic- Sticko\id-Aus Stoßes bei gleichzeitiger minimaler l.rhöhung dc> Kraftstoffverbrauches, geringstmöglicher Beeinträchtigung des Betriebsverhallens von Motor und Fahrzeug und minimaler Beeinflussung anderer Schadstoffemissionen, wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffen zt: ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einci Regeleinrichtung eingangs genannter Art dadurch gelöst, daß die durch das Ventil rückgeführte Abgasmenge bei niedriger Last gegenüber höherer Last be konstantem Gemischdurchsatz geringer ist als es einem

so gleichbleibenden Verhältnis zwischen rückgeführtei Abgasmenge und Gemischdurchsatz entspricht, die Lastabhängigkeit durch die Beaufschlagung des Stellgliedes durch den Saugrohrdruck erfolgt und bei zunehmendem Gemischdurchsatz und konstanter Lasl die rückgeführte Abgasmenge mittels des Druckwandlers kontinuierlich zunehmend über das Stellglied gesteuert ist.

Hiermit ist eine Regeleinrichtung geschaffen, bei dei auf eine allen Betriebszuständen optimal anpaßbare Abgasrückführeinrichtung neben dem den Gemischdurchsatz kennzeichnenden Führungssignal eine zweite Steuergröße einwirkt, die abhängig vom Lastzustand (Mitteldruck- bzw. Drehmoment) des Motors die Abgasrückführrate im Bereich niedriger Last gegenüber dem Bereich höherer Last bei gleichem Gemischdurchsatz reduziert und somit den Einfluß der innerer Abgasrückführung und die als Folge geringer Füllung niedrigeren Verbrennungstemperaturen berücksichtigt.

Mit einem derartigen Abgasrückführsystem kann die Rückfiihrmenge im Bereich niedriger Last so niedrig gehalten werden, daß noch keine Beeinflussung von CH-Emission, Verbrauch und Fahrbarkeit rrfnlgt und im Bereich höherer Last kann die Abgasrückführung im ■> Sinne optimaler ΝΟ,-Reduzierung auf sehr hohe Werte angehoben werden, da in diesem Bereich CH-Emission und Fiiiirbarkeit in weitaus geringeren Maße durch Abgasrückführung, beeinflußt werden, als dies bei niedrigeren Lasten des Motors der Fall ist.

Ein Ventil für die Rückführung von Abgas ist zweckmäßig so gestaltet, daß zwischen einer Abschaltmembrane und einer Arbeitsmembrane eine Membrane angeordnet ist. die auf der Oberseite mit dem auf die Abschaltmembrane wirkenden Saugrohrunterdruck und ü auf der Unterseite mit dem auf die Arbeitsmembrane wirkenden Regelunterdruck eines Druckwandlers beaufschlagt ist. wobei die Abschaltmembrane fest mit der ■Kupplungsstange über einen fviembranieiicr verbunden ist und der Membranteller als Widerlager für eine Abschaltfeder dient, die andererseits im Einspannblech der Membrane abgestützt ist, und daß an der Kupplungsstange einerseits eine sich über einen Federteller abstützende Arbeitsfeder befindet, die sich mit ihrem anderen Ende auf der Arbeitsmembrane in 2"> einem Kupplungstopf abstützt, der im Rcgclzustand über der Kupplungsstange frei beweglich ist.

Um die Schlicßwirkung zu verstärken, ist vorgesehen, daß an der Schubstange ein Verschlußkörper in Strömungsrichtung vor der Ventilöffnung angeordnet ⁱⁿ ist.

Der Druckwandler zur Umsetzung eines Maschinendruckes in einen Steuerdruck ist so gestaltet, daß der Druckwandler eine Primärmembrane aufweist, die an ihrer Oberseite mit dem Abgasgegendruck beaufschlagt r> ist und über ein Kupplungsglied mit einer flächenkleineren Sekundärmembrane gekoppelt ist. wobei die genannten Membranen über eine Einstellfeder und eine Druckfeder gegensinnig belastet sind und daß sich in den Einspanntellern der Sekundärmembrane eine ^w Ventilanordnung befindet, deren Ventilplatte im stationären Zustand vnn pinpr VpnttlfpHpr auf pinpn änRprpn in dem unteren Membranteller befindlichen Ventilsitz und auf einen inneren mit dem Gehäuse verbundenen Ventilsitz anliegt, wobei in der Zuleitung zum inneren ^4S Ventilsitz der Saugrohrunterdruck herrscht und am äußeren Ventilsitz über eine Leitung ein Steuerdruck anliegt und daß am Sekundärraum die Reglerleitung angeschlossen ist, die den im Druckwandler gebildeten Regeldruck abführt. Zur Erfüllung besonderer Erforder- ^⁰ nisse ist ansteile der Außenbelüftung des Membranzwischenraums vorgesehen, daß über die Leitung der Steuerdruck stromauf der Drosselklappe entnommen ist.

Eine andere Beeinflußungsmöglichkeit des Regeldruckes besteht darin, daß der Steuerdruck den Lufttrichter eines Vergasers entnommen wird. Weiter ist es zweckmäßig, daß in die Leitung eine feste Drossel eingesetzt ist. Die Leitung kann auch über ein Filterelement atmosphärisch belüftet sein. w>

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß mit diesem System bei gleichbleibendem Gasdurchsatz des Motors, also im Motorkennfeld einer Linie konstanter Ansaugmenge, im Bereich niedrigen Saugrohrunterdruckes, afso bei hoher Last, große Abgas- ^b5 mengen rückgeführt werden können, die dann bei sinkender Last und ansteigendem Saugrohrunterdruck selbsttätig reduziert werden.

Die Verringerung der rückgeführten Abgasmenge im Bereich niedriger Last berücksichtigt einmal, daß aufgrund der niedrigen Mitteldrücke in diesen Betriebszuständen des Motors niedrigere Verbrennungstemperaturen und damit geringere Stickoxidmengen auftreten und zum anderen, daß aufgrund des höheren Restgasanteils in diesem Bereich ohnehin eine erheblich höhere innere Abgasrückführmenge vorliegt, als dies z. B. bei gleicher Leistung und damit in erster Näherung auch gleichem Gasdurchsatz jedoch höheren Mitteldrücken der Fall ist.

Durch diese Anpassung der Rückführcharakleristik an die Erfordernisse des Motors werden insbesondere die Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs und die Entstehung von anderen Schadstoffen auf minimale Werte gehalten.

Eine weitere besondere Eigenschaft dieser Regeleinrichtung besteht darin, daß die Abgasrückführmenge im iiiMaiioiiären Bt-irieb besonders gui an die fvioiorbedingungen angepaßt werden kann. Bei Beschleunigungszuständen wird die Rückführmenge über den im stationären Betrieb vorliegenden Betrag angehoben und bei Schiebebetrieb, also in der Verzögerungsphase, unter diesen Wert abgesenkt.

Dies hat zur Folge, daß die bei Beschleunigung entstehenden hohen Stickoxidmengen besonders gut abgebaut. Fahrverhalten und Kraftstoffverbrauch bei Konstantfahrt jedoch in geringstmöglichem Maße beeinträchtigt werden.

Die Verringerung der Rückführmenge im Schiebebetrieb bewirkt ebenfalls minimalen Anstieg des Kraftstoffverbrauchs und minimale Entstehung anderer Schadstoffemissionen in diesem Betriebszustand.

Eine andere Lösungsmöglichkeit für ein Abgasrückführventil besteht im Zusammenhang mit dem genannten Druckwandler darin, daß in dem Ventil oberhalb einer Arbeitsmembrane eine federbelastete Membrane angeordnet ist, die auf der Oberseite mit Saugrohrunterdruck und auf der Unterseite mit dem auf die Arbeitsmembrane wirkenden Regelunterdruck eines Druckwandler beaufschlagt ist. wobei die Membrane fest mit einer die Arbeitsmembrane durchdringende Schubstange verbunden ist, die mit zwei Verschlußkörpern versehen ist, zwischen denen ein im Gehäuse befindlicher Doppelventilsitz angeordnet ist.

Die Erfindung wird in der Zeichnung schematisch dargestellt und im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 EGR-Ventil mit Reduziermembrane.

Fig. 2 eine weitere Ausführungeines EGR-Ventils

F i g. 3 eine dritte Ausführung eines EGR-Ventils

F i g. 4 einen Druckwandler

F i g. 5 Prinzipskrzze der Regeleinrichtung für einen Motor mit kontinuierlicher Kraftstoffeinspritzung

F i g. 6 Prinztpskizze der Regeleinrichtung für einen Vergasermotor

F i g. 7 Druckwandlerkennlinien F i g. 8 Schließkennlinien eines EGR-Ventils F i g. 9 einen Druckwandler mit Filterelement.

Das in Fig. 1 dargestellte EGR-Ventil 51 weist zwischen einer Abschaltmembrane 16 und einer Arbeitsmembrane 17 eine Reduziermembrane 36 auf, die auf der Oberseite mit dem auf die Abschaltmembrane 16 wirkenden Saugrohrunterdnick und auf der Unterseite mit dem- auf die Arbeitsmembrane wirkenden Regelunterdruck eines- Druckwandler 43 beaufschlagt ist. wobei die Abschaltmembrane fest mit einer Kupplungsstange 33 über einen Membranteller 52

verbunden ist und der MembrantHler 52 als Widerlager für eine Abschaltfeder 24 dient, die andererseits im Einspannblech 54 der Reduziermembrane 36 abgestützt ist. die in ihrem inneren Einspannrand mittels eines Topfes 46 fest mit der Arbeitsmembran 17 an einer Schubstange 32 verbunden ist und an einer Kupplungsstange 33 einerseits eine sich über einen Federteller 55 abstützende Arbeitsfeder 25 befindet, die sich mit ihrem anderen Ende auf der Arbeitsmembrane 17 in einem Kupplungstopf 45 abstützt, der im Regelzustand über der Kupplungsstange 33 frei beweglich ist.

Im Betriebszustand ist die Abschaltmembrane 16 durch den von der Entnahmestelle 23 abgenommenen Saugrohrunterdruck gegen die Kraft der Abschaltdruckfeder 24 an das Zwischenstück 26 auf Anschlag gezogen. Die Kupplung 27 gibt dabei die Arbeitsmembran 17 frei.

Im Arbeitsraum 20 herrscht der aus der Verbindungs-

iCiiUng υ dMiicgcnuc jicüci'Oi'üCl^.

Die Fläche der Arbeitsmembran 17 und die Kraft der Arbeitsfeder 25 sind so bemessen, daß für die Betätigung der Schubstange 32 und des Verschlußkörpers 31 ausreichende Stellkräfte zur Verfügung stehen, wobei bei größer werdendem Steueriinterdruck der Verschlußkörper 31 in Schließstellung gezogen wird.

Die Reduziermembrane 36 ist zwischen Abschaltraum 19 und Arbeitsraum 20 so angeordnet, daß ihre wirksame Fläche mit der Differenz aus dem auf die Abschaltmembiane 16 wirkenden Saugrohrunterdruck und eiern auf die Arbeitsmembrane 17 wirkenden Regelunterdruck beaufschlagt ist. Diese Druckdifferenz bewirkt über die wirksame Fläche der Reduziermembran 36 eine Schließkraft auf die Arbeitsmembran 17, die im Bereich hoher Saugrohrunterdrückc die zurückgeführte Abgasmenge verringert bzw. die Abgasrückführung in diesem Bereich ganz unterdrückt.

Die Wirkung der Reduziermembrane 36 wird noch dadurch unterstützt, daß der Verschlußkörper 31 zwischen Zuströmraum 28 und Abströmraum 29 so angeordnet ist, daß er in Strömungsrichtung vor der Ventilöffnung 44 angeordnet ist. Hierdurch ergibt der Druckabfall am Ventil ei ι*» /usät/lirhn .Schließkraft.

In F i g. 8 sind die Schließkennlinien der Ventile nach Fig. 1 bis 3 im Vergleich zu bisher bekannten EGR-Ventilen dargestellt.

Bei Absinken des Saugrohriintcrdruckes unter ein vorgegebenes Maß wird die Abschaltmembrane 16 durch die Überschußkraft der Abschaltfeder 24 verschoben und die Arbeitsmembrane 17 durch die Kupplungsstange 27 in Schließstellung gezogen.

Die Abschaltfunktion kann auch dadurch bewirkt werden, daß der obere Belüftungsraum 18 für die Offenstellung des Verschlußkörpers 31 zusätzlich zu dem an der Leitung 23 anliegenden Unterdruck oder ausschließlich mit Überdruck beaufschlagt und zum Schließen des EGR-Ventils belüftet wird. Hierzu kann der Druck der Sekundärluftpumpe eines nicht dargestellten Lufteinblassystems eingesetzt werden, wie sie üblicherweise zur Oxidation der im Abgas enthaltenden Schadstoffe verwendet wird.

Die Abschalteinrichtung bewirkt gleichzeitig, daß in völlig drucklosem Zustand des Ventils — bei abgestelltem Motor — der Verschlußkörper 31 durch die Abschaltfeder 24 entgegen der Wirkung der Arbeitsfeder 25 in Schließstellung gezogen wird.

Um im Startvorgang ein vorübergehendes öffnen des Ventils zu vermeiden, kann nach Fig.5 und 6 die Entnahmestelle 23 im Saugrohr 57 so angeordnet werden, daß im Leerlaufbetrieb im Abschaltraum 19 kein Unterdruck herrscht.

In einer Variante der Erfindung nach F i g. 2 wird auf die Schließwirkung der Membrane 36 verzichtet, sie dient lediglich zur Abdichtung, und der Schließeffekt wird ausschließlich durch eine entsprechende Dimensionierung der Dichtfläche am Verschlußkörper 31 erzielt. Bei dieser Ausführung sind die Fläche der Abschaltmembrane 16 und die Kraft der Abschaltfeder 24 so

ίο bemessen, daß bei Absinken des über die Leitung 23 anliegenden Saugrohrunterdruckes unter ein vorgege benes Maß die Überschußkraft der Abschaltfeder 24 über die Kupplungsstange 33 den Verschlußkörper 31 entgegen der Überschußkraft der Arbeitsfeder 25 in

r> Schließstellung zieht.

Das Schließen des Ventils kann in einer Variante na>.h Fig. 3 auch dadurch bewirkt werden, daß in an sich bekannter Weise zwei Verschlußkörper 47, 48 und ein dazugehöriger VinmSiiZ 50 5O üfigcbrrtCiu Sind, udu uci Abfallen des Steuerunterdruckes auf einem der Vollast entsprechenden Minimalwert bzw. bei Wegfall des Steuerunterdrucks im Stillstand des Motors das Ventil wieder schließt. Diese einfachere Bauart nach F i g. 3 ist anwendbar für Motoren, die beim Startvorgang einen kurzzeitigen Abgasrückstrom vertragen.

Bei dem in F i g. 4 dargestellten Druckwandler 43, der bei der Regeleinrichtung Anwendung findet, wirkt der Abgasgegendruck über die Leitung 12 (Fig. 5) auf die Primärmembrane 1 und ergibt somit eine Kraftwirkung.

M) die über die Kupplung 6 die Sekundärmembrane 2 auf die auf der Sekundärseite befindliche Druckfeder 5 abgeleitet wird. Im stationären Betrieb liegen die Membrankrafte der Primär- und Sekundärmembrane 1, 2 mit den Federkräften aus Druckfeder 5 und

I) Einstellfeder 3 im Gleichgewicht. Bei einer Änderung des Abgasgegendruckes, der ein Signal für die im Motor verbrannte Gemischmenge ist, wird dieses Gleichgewicht gestört, wodurch eine Bewegung der beiden Membranen hervorgerufen wird. Bei einem Anstieg des

■in Abgasgegendruckes werden die Membranen gegen die Kraft der Druckfeder 5 verschoben. Purch diese Verschiebung wird die Ventilnlatte 34 der Ventilanordnung 38 vom Belüftungsventilsitz 10 abgehoben, während sie auf den mit dem Gehäuse 49 verbundenen

■<■'> Unterdrucksitz 11 durch die Kraft der Ventilfeder 4 angedrückt wird. Durch die so erfolgte öffnung des Belüftungsquerschnittes strömt die Luft über die Leitung 14 und eine Öffnung in Kupplung 6 in den Sekundärraum 9 des Druckwandler 43, der über die

~*i Leitung 15 mit dem Arbeitsraum 20 des EGR-Ventils verbunden ist. ein. Die nachströmende Luft bewirkt nun einen Unterdruckabfall im Sekundärraum 9, der sich so lange fortsetzt, bis das Kräftegleichgewicht wieder erreicht und der Belüftungsventilsitz 10 wieder ver-

v> schlossen ist.

Bei einem Absinken des Abgasgegendruckes verschiebt die Druckfeder 5 die beiden Membranen 1, 2 in analoger Weise so, daß der Unterdruckventilsitz 11 geöffnet ist und so lange Luft über die Leitung 13

•Λ abgesaugt wird, bis durch den so erfolgten Unterdruckanstieg das Kräftegleichgewicht wieder hergestellt und der Unterdruckventilsitz 11 wieder geschlossen ist Im stationären Zustand sind Unterdruckventilsitz 11 und Belüftungsventilsitz 10 geschlossen, so daß der Druck-

f^ wandler 43 in diesem Zustand nicht durchströmt ist, also ohne Luftverbrauch arbeitet

Auf eine bestimmte Änderung des Abgasgegendrukkes an der Primärseite erfolgt eine Änderung des

Regelunterdruckes auf der Sekundärseite, die im Verhältnis der wirksamen Flächen von Primär- zur Sekundärmembrane 1, 2 größer ist als die Abgasgegendruckänderung. Der Verlauf der Druckwa/idlerkennlinie ist so, daß bei ansteigendem Abgasgegendruck ^r> der Regelunterdruck abfällt. Die Druckwandlerkennlinien sind in F i g. 7 dargestellt.

Die fallende Charakteristik hat den Vorteil, daß im Bereich höherer Leistung und höheren Mitteldruckes der Regelunterdruck niedrig wird und somit auch der κι zur Verstärkung benötigte Saugrohrunterdruck niedrigere Werte annehmen kann. Es ist also möglich, den Druckwandler 43 so abzustimmen, daß der im jeweiligen Betriebszustand des Motors vorhandene Saugrohrunterdruck zur Verstärkung ausreicht. Auf i> einen Untere! uckspeicher kann aus diesem Grund verzichtet werden.

In bestimmten Betricbszuständen des Motors, z. B. bei

um«ebuMgsieiiipL"raiuren, isi es zweckmäBig, die Abgasrückführung durch nicht dargestellte externe Vorsteuergeräte abzuschalten. Diese Vorsteuergeräte sind in der Leitung 35 so angeordnet, daß bei Auftreten des Steuersignals der Unterdruck von der Entnahmestelle 23 nicht auf die Abschaltniembrane 16 durchgeschaltet und somit der Verschlußkörper 31 in Schließstellung gehalten wird.

Die Anwendbarkeit des Druckwandlers ist nicht auf die vorbeschriebene Ausführung, in der der Abgasgegendruck und der Saugrohrun^rdruck als Steuersignal herangezogen werden, beschränkt.

Anstelle des Abgasgegendruckes kann auch ein mit dem Gasdurchsatz ansteigender Unterdruck, z. B. in nicht dargestellter Weise aus dem Venturirohr über die Leitung 14 auf die Unterseite der Primärmembrane 1 gegeben werden, der die gleiche fallende Kennlinie des Steuerdruckes im Sekundärraum bewirkt. Ebenso kann ein mit dem Gasdurchsatz wachsender Überdruck in Form eines Staudruckes im Ansaugsystem gebildet werden, der wie der Abgasgegendruck über die Leitung 12 auf die Oberseite der Primärmembrane 1 gegeben werden kann. In einer weiteren Variante kann der ^tailHrurL· Ühpr HlP 1 plflintT iO Olli" HiA OKr»rc«ilrt nn^j über die Leitung 14 Venturiunterdruck aus dein Lufttrichter 40 eines Vergasers 41 auf die Unterseite der Primärmembrane 1 geleitet werden.

Ebenso ist es möglich, wie in Fig. 6 dargestellt, daß der Abgasgegendruck über Leitung 12 auf die Oberseite der Membran 1 und Venturiunterdruck über Leitung 14 auf die Unterseite der Membrane geleitet wird.

Eine vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung nach Fig.5 besteht darin, daß über die Leitung 14 ein Unterdruck auf die Unterseite der Primärmembrane 1 geleitet wird, der im stationären Betriebszustand des Motors bei beliebigen Gasdurchsätzen einen nahezu konstanten Wert aufweist, bei Änderung des Gasdurchsatzes seinen Wert jedoch in der Weise ändert, daß dieser bei Erhöhung des Gasdurchsatzes (z. B. in Beschleunigungsphasen) ansteigt und bei Verminderung des Gasdurchsatzes (z. B. Verzögerung) unter den Wert der im stationären Betrieb vorliegt, abfällt.

Solche Unterdrucksignale können z. B. bei Gleichdruckvergasern in der Mischkammer bzw. im Raum zwischen Mischkammerund Drosselklappe entnommen werden. Bei kontinuierlichen Einspritzsystemen, die mit einer Luftmengenmessung arbeiten, liegt ein derartiges Unterdrucksignal im Raum zwischen dem die Luftmengenmessung bewirkenden vcrändei liehen Strömungswiderstand und der Drosselklappe 39, dem sogenannten Luftführungsgehäuse, vor. Diese Variante der Erfindung bietet den besonderen Vorteil, daß durch die Änderung dieses Unterdrucksignals bei Gasdurchsatzänderungen die Abgasrückführmenge bei ansteigendem Gasdurchsatz, z. B. bei Beschleunigung, über den im stationären Betrieb vorliegenden Wert angehoben und bei fallendem Gasdurchsatz, z. B. in Verzögerungsphase, unter diesen Wert der Rückführmenge angesenkt wird.

Hierdurch wird bewirkt, daß die im besonderen Maße in den Beschleunigungsphasen entstehenden Stickoxid-Emissionen optimal vermindert werden, durch die bei Koiisiaiiifahri und besonders im Schiebebetrieb (Verzögerungsphase) verringerte Rückführmenge der Kraftstoffverbrauch nur minimal erhöht und durch Verringerung der Abgasrückführmenge im Schiebebetrieb die Entstehung von Kohlenwasserstoff-Emissionen in weitaus geringerem Maße begünstigt wird, als bei EGR-Systemen, die auch in diesem Betriebszustand noch größere Abgasmengen zur Ansaugluft zurückleiten.

Durch alleiniges Aufschalten eines derartigen Unterdrucksignals ohne Abgasgegendruck oder Steuerdruck erhält man ein EGR-System, das ausschließlich in Beschleunigungsphasen Abgas zurückführt.

Bei Motoren, die über kein derartiges den instationären Betrieb kennzeichnendes Unterdrucksignal verfügen, kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nach Fig. 9 durch einen Drosselwiderstand 42 in der Leitung 14 ein Effekt erzielt werden, der bei ansteigendem Gasdurchsatz die Rückführrate vorübergehend erhöht. Dies geschieht dadurch, daß bei Anpassung des Steuerunk rdruckes im Sekundärraum 9 des Druckwandlers 43 an das geänderte Eingangssignal kurzzeitig Luft aus dem Zwischenraum 8 über den

Rpii'lfllincrcupnttlcitv 1Λ in Hpn ^pViinrlürror.m Q clr-Ämt

Diese aus dem Zwischenraum 8 abströmer .ie Luft erfordert ein Nachströmen von Luft über ein Filterelement 56 und die Leitung 14 und den darin befindlichen Drosselwiderstand 42. Dabei tritt an diesem Drosselwiderstand ein Druckverlust auf, der das Entstehen bzw. bei Venturiunterdruckbeaufschlagung nach Fig. 6 ein Ansteigen des Unterdrucks im Zwischenraum 8 zur Folge hat.

Dieser Unterdruck bzw. die Unterdruckerhöhung bewirkt eine weitere Änderung des Steuerunterdruckes und damit eine weitere Erhöhung der Abgasrückführmenge. Nach Beendigung des Anpassungsvorganges des Steuerunterdruckes im Sekundärraum 9 an das geänderte Eingangssignal — Oberdruck im Primärraum 7 und/oder Unterdruck im Zwischenraum 8 — fällt auch der Unterdruck im Zwischenraum 8 auf den vorherigen Wert ab und die Abgasrückführmenge wird wieder auf den im stationären Betriebszustand vorliegenden Betrag reduziert

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regeleinrichtung für die Rückführung von Abgas aus der Auspuffleitung in die Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine zur Verringerung des Schadstoffanteils im Abgas, wobei in einer Rückführleitung ein in Abhängigkeit vom Gasdurchsatz des Motors über einen Druckwandler gesteuertes Ventil vorgesehen ist, dessen Stellglied vom Saugrohrdruck beeinflußt wird, und der Eingang des Druckwandlers einem Maschinendruck ausgesetzt ist und dessen Ausgang in Verbindung mit dem Stellglied steht, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Ventil (51) rückgeführte Abgasmenge bei niedriger Last gegenüber höherer Last bei konstantem Gemischdurchsatz geringer ist als es einem gleichbleibendem Verhältnis zwischen rückgeführter Abgasmenge und Gemischdurchsatz entspricht, die Lastabhängigkeit durch die Beaufschlagung vies Stellgliedes durch den Saugrohrdruck erfolgt ymdf bei zunehmendem Gemischdurchsatz und konstanter Last die rückgeführte Abgasmenge mittels des Druckwandlers kontinuierlich zunehmend über das Stellglied gesteuert ist.

2. Ventil für eine Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Abschaltmembrane (16) und einer Arbeitsmembrane (17) eine Membrane (36) angeordnet ist, die auf der Oberseite mit dem auf die Abschaltmembrane (16) wirkenden Saugrohrunterdruck und auf der Unterseite mit dem auf die Arbeitsmembrane wirkenden Regelunterdruck eines Druckwandlers (43) beaufschlagt ist, wobei die AbscK^ltmembrane (16) fest mit einer Kupplungsstange (33) über einen Membrantcller (52) verbunden ist ui.rder Membranteller (52) als Widerlager für eine Abschaltfeder (24) dient, die andererseits im Einspannblcch (54) der Membrane (36) abgestützt ist und daß an der Kupplungsstange (33) einerseits eine sich über einen Federteller (55) abstützende Arbeitsfeder (25) befindet, die sich mit ihrem anderen Ende auf der Arbeitsmembrane (17) in einem Kupplungstopf (45) abstützt, der im Regelzustand über der Kupplungsstange (33) frei beweglich ist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Schubstange (32) ein Verschlußkörper (31) in Strömungsrichtung vor der Ventilöffnung (44) angeordnet ist.

4. Druckwandler für eine Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckwandler (43) eine Primärmembrane (1) aufweist, die an ihrer Oberseite mit dem Abgasgegendruck beaufschlagt ist und über ein Kupplungsglied (6) mit einer flächenkleineren Sekundärmembrane (2) gekoppelt ist, wobei die genannten Membranen (.1,2) über eine Einstellfeder (3) und eine Druckfeder (5) gegensinnig belastet sind und daß sich in der die Sekundärmembrane (2) haltenden Kupplung (6) eine Ventilanordnung (38) befindet, deren Ventilplatte (34) im stationären Zustand von einer Ventilfeder (4) auf einen äußeren, in der Kupplung (S) befindlichen Ventilsitz (10) und auf einen inneren mit dem Gehäuse (49) verbundenen Ventilsitz (II) anliegt, wobei in der Zuleitung (13) zum inneren Ventilsitz (11) der Saugrohrunterdruck herrscht und am äußeren Ventilsitz (10) über eine Leitung (14) ein Steuerdruck anliegt und daß am Sekundärraum (9) die Reglerleitung (15) angeschlossen ist, die den im

Druckwandler(43) gebildeten Regeldruck abführt.

5. Regeleinrichtung nach Anspruch I mit einem Druckwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß über die Leitung (14) der Steuerdruck stromauf der Drosselklappe (39) entnommen ist.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch I mit einem Druckwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdruck dem Luntrichter (40) eines Vergasers (41} entnommen wird.

7. Druckwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Leitung (14) eine feste Drossel (42) eingesetzt ist.

8. Druckwandler nach den Ansprüchen 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (14) über ein Filterelement (56) atmosphärisch belüftet ist.

9¹. Ventil für eine Regeleinrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb einer Arbeitsmembrane (17) eine federbelastete Membrane (36) angeordnet ist, die auf der Oberseite mit Saugrohrunterdruck und auf der Unterseite mit dem auf die Arbeitsmembrane (17) wirkenden Regelunterdruck eines Druckwandlers (43) beaufschlagt ist, wobei die Membrane (36) fest mit einer die Arbeitsmembrane (17) durchdringenden Schubstange (32) verbunden ist, die mit zwei Verschlußkörpern (47,48) versehen ist, zwischen dener? ein im Gehäuse (49) befindlicher Doppelventilsitz (50) angeordnet ist.