DE2444275A1

DE2444275A1 - Abgasrueckfuehrung bei verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2444275A1
Application number: DE19742444275
Authority: DE
Inventors: Richard D Vartanian
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1973-09-24
Filing date: 1974-09-17
Publication date: 1975-04-03
Also published as: CA1010734A; GB1483355A; US3878823A; AU7317374A; DE2444275C2; JPS5059624A

Description

Abgasrückführung- bei Verbrennungsmotoren

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasrückführung bei Verbrennungsmotoren mit einem Vergaser, dessen Ansaugkanal einen Venturiabschnitt und eine Drosselklappe aufweist und mit einer Verbindung zwischen dem Auspuffrohr und dem Ansaugrohr, die über ein vom Ansaugrohr-Unterdruck beaufschlagtes Ventil bei hohem Unterdruck geöffnet und bei geringem Unterdruck geschlossen wird.

Abgasrückführungen der eingangs genannten Art sind bekannt und werden zu dem Zweck vorgenommen, den Ausstoß von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und von Stickoxyden zu verringern. Solche Abgasrückführungen weisen im allgemeinen ein federbelastetes Ventil auf, das vom Ansaugrohr-Unterdruck beaufschlagt wird und eine unerwünschte Abgasrückführung bei bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors, wie z. B. im Leerlauf oder bei Vollast verhindert. Eine solche Steuerung der Abgasrückführung ist auch vom Standpunkt der Abgasverbesserung erwünscht, da im Leerlauf eine Abgas-Spülung unwirksam ist und bei Vollast die Abgabe der höchsten Leistung

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durch das Vorhandensein von Sauerstoff begrenzt ist.

Andererseits haben Versuche gezeigt, daß das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors bzw die Unempfindlichkeit des Verbrennungsmotors gegenüber einer Abgasrückführung am günstigsten ist, wenn die Abgasrückführung einen bestimmten Prozentsatz des Luftdurchsatzes beträgt. Da der Luftdurchsatz sowohl in Abhängigkeit von der Drehzahl als auch von der Belastung variiert, sollte die Abgasrückführung in entsprechender Weise variiert werden.

Bekannte Steuervorrichtungen für Abgasrückführungen variieren jedoch die Abgasrückführung nur in Abhängigkeit von der Belastung, indem die Abgasrückführung in Abhängigkeit vom Ansaugrohr-Unterdruck gesteuert wird. Daraus ergibt sich, daß bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors bei geringer Belastung, bei dem nur ein geringer Prozentsatz einer Abgasrückführung zur Abgasverbesserung erforderlich ist, ein maximaler Prozentsatz einer Abgasrückführung erzielt wird, da der Ansaugrohr-Unterdruck in diesem Betriebszustand hoch ist und somit das die Abgasrückführung steuernde Ventil voll öffnet. Andererseits ergibt sich daraus, daß bei hohen Motordrehzahlen und hoher Belastung, bei der ein hoher Prozentsatz an Abgasrückführung ohne Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens des Verbrennungsmotors zugelassen werden könnte, nur ein geringer Prozentsatz einer Abgasrückführung erzielt wird, da in diesem Betriebszustand der Ansaugrohr-Unter druck niedrig ist und somit das die Abgasrückführung steuernde Ventil nur teilweise¹ öffnet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Abgasrückführung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß der Prozentsatz der Abgasrückführung sowohl in Abhängigkeit von der Drehzahl als auch von der Belastung des Verbrennungsmotors gesteuert wird. Da der Luftdurchsatz durch einen Vergaser sowohl in Abhängigkeit von der Drehzahl als auch von der Belastung variiert, wobei der auftretende Ansaugrohr-Unterdruck umgekehrt proportional der US-552 / 9. September 1974 - 3 -

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Belastung ist, während der Venturi-Unterdruck nahezu proportional der Drehzahl ist, soll gemäß der Erfindung eine Steuervorrichtung geschaffen werden, die den Prozentsatz einer Abgasrückführung sowohl in Abhängigkeit von Änderungen des Venturi-Unter druckes als auch von Änderungen des Ansaugrohr-Unterdruckes steuert.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem eine Abgasrückführung bzw eine Steuervorrichtung für eine Abgasrückführung die in den Patentansprüchen aufgezeigten Merkmale aufweist.

Durch die erfindüngsgemäße Abgasrückführung wird erreicht, daß die Abgasrückführung über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors auf einem nahezu konstanten Prozentsatz des Luftdurchsatzes gehalten werden kann. Auf diese Weise wird über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors eine zufriedenstellende Abgasverbesserung erzielt, ohne daß hierdurch eine Beeinträchtigung des Betriebs Verhaltens des Verbrennungsmotors in Kauf genommen werden muß.

D,ie Erfindung wird anhand eines in der beiliegenden Zeichnung gezeigten Ausführung sbei spiele s näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch Teile eines Vergasers und eines Verbrennungsmotors, an dem die Erfindung angewendet ist.

Fig. 2 zeigt einen horizontalen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 durch eine Steuervorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm über die Änderungen der Unterdruckverhältnisse und des Luftdurchsatzes in einem Vergaser.

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Fig. 1 zeigt einen Teil 10 der Hälfte eines bekannten Fallstrom-Doppelvergasers. Dieser weist einen Ansaugtrichter 12, einen Hauptteil 14 und einen

auf
Drosselklappenteil 16. Der Vergaser weist die üblichen Ansaugkanäle 18 auf, die an ihren oberen Enden 20 mit dem Reinluftraum eines herkömmlichen Luftfilters verbunden sind. Die Ansaugkanäle 18 weisenherkömmliche Venturiabschnitte 22 von gleichbleibendem Querschnitt auf, in denen bekannte VerStärkungsventuriteile 23 angeordnet sind, in denen auch die Haupttreibstoffdüsen (nicht gezeigt) angeordnet sind.

Der Durchsatz von Luft und Treibstoff durch die Ansaugkanäle 18 wird hierbei jeweils durch eine Drosselklappe 24 gesteuert, die an Drosselklappenwellen 25 drehbar im Vergasergehäuse gelagert sind.

Die Ansaugkanäle sind hierbei mit einer Abfühlöffnung 26 für den Ansaugrohr-Unterdruck und mit einer Abfühlöffnung 28 für den Venturi-Unterdruck versehen.

Der Drosselklappenteil 16 des Vergasers ist mit einem Flansch versehen, mit dem er am Ansaugrohr 30 des Verbrennungsmotors unter Zwischenschaltung eines Zwischenflansches 32 befestigt ist. Das Ansaugrohr 30 weist eine Anzahl von vertikalen Kanälen 34 auf, die mit den unteren Enden der Ansaugkanäle 18 des Vergasers verbunden sind. Die vertikalen Kanäle 34 sind an ihren unteren Enden mit horizontal wegführenden Kanälen 36 verbunden, die zu den Einlaßventilen des Verbrennungsmotors führen.

Das Auspuffrohr des Verbrennungsmotors ist bei 38 angedeutet und weist einen Abgasrückführkanal 40 auf, der vom eigentlichen Auspuffkrümmer (nicht gezeigt) nach unterhalb des Ansaugrohres 30 führt, um eine Vorwärmung des durch die horizontalen Kanäle 36 strömenden Treib stoff-Luftgemisch es zu erzielen.

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Wie am besten aus Fig. 2 zu ersehen ist, ist der Zwischenflansch 32 mit einem Ausschnitt 42 versehen, der über eine Bohrung 44 mit dem Abgasrückführkanal 40 verbunden ist. Mit dem Ausschnitt 42 ist weiterhin ein Kanal 46 verbunden, der über ein Ventil 56 geöffnet oder geschlossen werden kann und über eine Kammer 54 mit einem Kanal 48 in Verbindung steht, der über Öffnungen 50 in die Kanäle 34 des Ansaugrohres 30 einmündet.

Wie eingangs erläutert, ist es notwendig und wünschenswert, eine bestimmte Steuerung der Abgasrückführung vorzunehmen, um bei bestimmten Betriebszuständen des. Verbrennungsmotors eine unerwünschte Abgasrückführung zu verhindern. Zu diesem Zweck ist der Kanal 46 mit dem Ventil 56 versehen, das sowohl in Abhängigkeit von der Drehzahl als auch von der Belastung gesteuert wird.

Fig. 3 zeigt die Änderungen des Unterdruckes sowie die Änderungen des Luftdurchsatzes durch einen Vergaser. Die Linie von A nach B zeigt die Änderung des Ansaugrohr-Unterdruckes bei Teillast und die Linie von C nach D zeigt die Änderungen des Venturi-Unterdruckes bei den gleichen Drehzahlen und bei der gleichen Belastung. Der maximale Luftdurchsatz ist durch die Punkte D und B angezeigt. In diesen Punkten weist der Verbrennungsmotor die höchste Drehzahl und die höchste Leistung auf.

Nach Erreichung des maximalen Drehzahl - Belastungsverhältnisses führt jede zusätzliche Belastung des Fahrzeuges, wie z. B. das Befahren einer Steigung, zu einem Abfallen sowohl des Venturi- als auch des Ansaugrohr-Unterdruckes bis zum Punkt C. Die Drosselklappe befindet sich hierbei beim Durchlaufen der Linie von D nach C und von B nach C in ihrer voll geöffneten Stellung. Der vom Luftdurchsatz abhängige Venturi-Unterdruck durchläuft den einen Linienzug von C nach D bzw nach C zurück. Der von der Belastung abhängige Ansaugrohr-Unterdruck kann jedoch jeden zwischen

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den beiden Linienzügen von A nach B und von B nach C liegenden Wc rt annehmen. Zum Beispiel kann der Wert des Ansaugrohr-Unterdruckes bei

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einem Luftdurchsatz von 2, 26 m pro Minute etwa 0, 5 kg pro cm und der Venturi-Unterdruck 0,07 kg pro cm betragen. Eine Erhöhung der Belastung des Fahrzeuges würde ein öffnen der Drosselklappe in ihre voll geöffnete Stellung erforderlich machen. Wird die Drosselklappe geöffnet, so wird sich der Ansaugrohr-Unterdruck entlang der Linie von E nach T verändern. Wird hierbei jedoch die Drehzahl (der Luftdurchsatz) konstant gehalten, so bleibt der Venturi-Unterdruck auf dem Wert von 0, 07 kg pro cm . Daraus ergibt sich, daß eine Abgasrückführung sowohl in Abhängigkeit von der Drehzahl als auch in Abhängigkeit von der Belastung gesteuert werden muß, um einen gleichbleibenden Prozentsatz einer Abgasrückführung zu erzielen.

Um dies zu erreichen, ist die Abgasrückführung gemäß der Erfindung mit einer Steuervorrichtung versehen, die im wesentlichen aus einem die Abgasrückführung steuernden Ventil 56 besteht, das wieder zwei Hauptteile, nämlich einen Ventilkörper und ein Unterdruckservo aufweist. Die das Ventil 56 beaufschlagenden Kräfte sind hierbei der Venturi-Unterdruck und der Ansaugrohr-Unterdruck» Der Venturi-Unterdruck ist hierbei eine Funktion der Drehzahl des Verbrennungsmotors (des Luftdurchsatzes durch den Vergaser), während der Ansaugrohr-Unterdruck eine Funktion der Belastung des Verbrennungsmotors bei jedem gegebenen Luftdurchsatz ist. Da das Venturi-Unterdruck-Signal bei niedrigen Drehzahlen und geringer Belastung wesentlich kleiner ist als das Ansaugrohr-Unterdruck-Signal, ist eine Verstärkung des Venturi-Unter'druckes erforderlich.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, besteht das Unterdruckservo 58 aus einem oberen, schalenförmigen Gehäuseteil 64, der durch eine flexible Membrane 66 in zwei Kammern 68 und 7 0 geteilt wird. Die Kammer 68 ist hierbei eine Umgebungsdruckkammer und steht über eine Bohrung 72 mit der Atmosphäre in Verbindung. Die Kammer 70 ist hierbei eine Ansaugrohr-Unterdruckkammer und ist über eine Leitung 74 mit der Abfühlöffnung 26 für den Ansaugrohr-US-552 / 9. September 1974 - 7 -

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Unterdruck verbunden. Ein größerer, unterer, schalenform ig er Gehäuseteil 7 6 liegt mit einer öffnung 78 gegen die untere Seite des oberen Gehäuseteiles 64. Das Gehäuseteil 76 ist wieder durch eine flexible Membrane 7 9 in zwei Kammern 80 und 82 geteilt. Die Kammer 82 ist hierbei wieder eine Umgebungsdruckkammer, die über eine öffnung (nicht gezeigt) mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Die Kammer 80 ist eine Venturi-Unterdruckkammer und ist über eine Leitung 84 mit der Abfti löffhung 28 für den Venturi-Unterdruck verbunden. Die öffnung 78 zwischen den beiden Gehäuseteilen 64 und 76 ist durch eine weitere flexible Membrane 86 geschlossen. Zwischen dem Rand der öffnung 78 und der Membrane 79 ist eine leichte Druckfeder angeordnet. Alle drei Membranen sind mit dem Schaft 88 des Ventiles 56 verbunden, der durch die Wand 90 der Kammer 54 abgedichtet hindurchgeführt ist. Das Ventil 56 weist hierbei zwei im Abstand zueinander angeordnete Steuerbünde 92 und 94 auf, deren Zweck noch beschrieben wird.

Das Unterdruckservo 58 weist somit zwei Unterdruckkammern, die Ansaugrohr-Unterdruckkammer 70 und die Venturi-Unterdruckkammer 80, auf, die durch drei Membranen 66, 86 und 79 voneinander getrennt sind. Die wirksame Fläche dieser Membranen ist für die Erzielung der erwünschten Verstärkung des Venturi-Unter druckes wesentlich. Die erforderliche Verstärkung ist wieder abhängig von dem für eine Reduzierung der Stickoxyde im Abgas erforderlichen Prozentsatz der Abgasrückführung bei zufriedenstellendem Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors.

Nehmen wir z. B. an, daß eine Bewegung des Schaftes 88 nach oben bei einer vorgegebenen Drehzahl und einer vorgegebenen Belastung eine Verstärkung auf das Zehnfache der vom Venturi-Unterdruck erzeugten Kraft erforderlich ist, so ergibt sich dieser Verstärkungsfaktor aus folgender Gleichung:

Fläche der Membrane 79 - Fläche der Membrane 86 Fläche der Membrane 60 - Fläche der Membrane 86

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Zum Beispiel ergibt sich aus dem angenommenen Verstärkungsfaktor 10 bei einem Durchmesser der Membrane 86 von 12,7 mm ein Durchmesser der Membrane 7 9 von 88 mm und ein Durchmesser der Membrane 66 von 25, 4 mm.

Dies sind die Größen der drei Membranen 66, 86 und 79, die die Größe des Ventiles 56 beeinflussen.

Funktionsweise

Im Leerlauf bei hohem Ansaugrohr-Unterdruck und niedrigem Venturi-Unterdruck wird das Ventil 56 nach unten gedrückt und der Steuerbund 92 unterbricht die Verbindung zwischen dem Kanal 46 und dem Kanal 48. Die Kraft der Feder 87 wird hierbei so gewählt, daß sie vernachlässigbar ist. Sobald die Drehzahl und die Belastung des Verbrennungsmotors ansteigt, erreicht der Venturi-Unterdruck in seiner 10-fachen Verstärkung einen Wert, der zunächst dem Ansaugrohr-Unterdruck gleich ist und ihn schließlich übersteigt. Dadurch wird der Schaft 88 nach oben bewegt und der Steuerbund 92 gibt eine Verbindung zwischen den Kanälen 46 und 48 frei. Das Ventil 56 bleibt somit solange geöffnet, solange der verstärkte Venturi-Unterdruck den An saugrohr-Unterdruck übersteigt. Da jedoch bei maximaler Drehzahl

und Belastung eine Abgasrückführung nicht erwünscht ist, schließt der Steuerhinausgehenden bund 94 bei einer über einen vorbestimmten Betrag Öffnungsbewegung

des Ventiles 56 wieder die Verbindung zwischen den Kanälen 46 und 48 .

Bei einer Abgasrückführung gemäß der Erfindung wird somit bei höheren Drehzahlen und höherer Belastung ein höherer Prozentsatz an Abgasrückführung erzielt, ohne daß hierdurch das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotorsbeeinträchtigt wird. Dabei wird im Leerlauf keine Abgasrückführung vorgenommen, bei niedrigen Drehzahlen und geringer Belastung nur eine geringe Abgasrückführung vorgenommen, bei höheren Drehzahlen und hoher Belastung eine maximale Abgasrückführung vorgenommen, während bei

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maximaler Drehzahl und maximaler Belastung wieder keine Abgasrückführung vorgenommen wird.

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Claims

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Patentansprüche

l.j Abgasrückführung bei Verbrennungsmotoren mit einem Vergaser, dessen Ansaugkanal einen Venturiabschnitt und eine Drosselklappe aufweist und mit einer Verbindung zwischen dem Auspuffrohr und dem Ansaugrohr, die über ein vom Ansaugrohr-Unterdruck beaufschlagtes Ventil bei hohem Unterdruck geöffnet und bei geringem Unterdruck geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (56) durch den Differentialdruck zwischen dem Ansaugrohr-Unterdruck (26) und dem verstärkten Venturi-Unterdruck (28) beaufschlagt wird und die Verbindung öffnet, sobald der verstärkte Venturi-Unterdruck (28) den An saug rohr-Unter druck (26) übersteigt.
2. Steuervorrichtung für eine Abgasrückführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Unterdruckservo (58) eine erste Membrane (79) aufweist, die eine Venturi-Unterdruckkammer (80) von einer Umgebungsdruckkammer (82) trennt, eine zweite Membrane (66) aufweist, die eine Ansaugrohr-Unterdruckkammer (70) von einer Umgebungsdruckkammer (68) trennt und wobei die Venturi-Unterdruckkammer (80) und die Ansaugrohr-Unterdruckkammer (70) einander benachbart angeordnet und durch eine dritte Membrane (86) voneinander getrennt sind und sämtliche Membranen (66, 79 und 86) mit dem Schaft (88) des Ventiles (56) verbunden sind und die Membranen (66, 79 und 86) in einem solchen Flächenverhältnis zueinander stehen, daß die Wirkung des Venturi-Unterdruckes (28) verstärkt wird.
3. Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (56) mit Steuerbünden (92 und 94) versehen ist, von denen der eine (92) bei einem den An saugrohr-Unterdruck (26) übersteigenden verstärkten Venturi-Unterdruck (28) die Verbindung zwischen dem Auspuffrohr (Kanal 46) und dem Ansaugrohr (Kanal 48) öffnet und von denen der andere (94) bei einer über einen vorbestimmten Betrag hinausgehenden Öffnungsbewegung des Ventiles (56) die Verbindung wieder schließt.

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