DE2505339C2 - Gemischverdichtender Verbrennungsmotor mit zwei Zylinderreihen und Abgasnachbehandlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gemischverdichtenden Verbrennungsmotor mit zwei Zylinderreihen und Abgasnachbehandlungseinrichtungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs, wie er beispielsweise aus der DE-OS 22 55 874 als bekannt hervorgeht.

Bei Verbrennungsmotoren ist es für einen optimalen Betrieb der Abgaskatalysatoren und zur möglichst vollständigen Verbrennung aller Schadstoffkomponenten im Abgas erforderlich, daß Luft/Kraftstoffverhältnis innerhalb einer Toleranzgrenze von ± 1 bis 2% im Bereich des stöchiometrisghen Wertes zu halten. Dies kann mit den Justierungsmöglichkeiten bekannter Gemischerzeugungseinrichtungen alleine nicht bewerkstelligt werden. Vielmehr ist es bekannt, hierzu mittels einer in der Abgasleitung angeordneten Sauerstoffsonde die Sauerstoffkonzentration im Abgas zu messen und mit diesem Meßsignal auf das Luft/Kraftstoffverhältnis einzuwirken. Hierbei ist sowohl bekannt (vgl. MTZ 1973, Seite7bis It),auf die'Kraftstoffzufuhr einzuwirken, als trtich^;(vgL ÖEiÖS 24^j 11874), entsprechend dem festge-'stellteh-'Saüerstoffdefizit im Abgas Zuluft'auf der ¹Motorsaugseite'züzü'mischen.

''BeizweireihrgenMotoren der zugrundegelegten "Art mit einheitlicher Getnischaufbereitungseinrichtung¹ für beide-Zylmderreihen ist diese An der Köhstäntregelung des ^: Luft/Kraftstoffge"misches nicht anwendbar und zw'äraus folgenden Gründen: Das zentraLgebikJete Gemisch läßt "sich in 'dem Saugkanalsysteih nicht mischungstreu auf die beiden Zylinderreihen verteilen, zumindest nicht'innerhalb der zu fordernden Genauigkeitsgrenzen. Die Anordnung eines einheitlichen motorfernen Abgaskatalysator entsprechend der einheitlichen Gemischerzeugung würde aber bei einer entsprechenden Übertragung dessen, was vom Einfeihenmötor herbekännt ist, eineSaüerstöirsbnde'hinter'der Vereiniguiigsstelle der von den einzelnen Zylinderreihen kommenden Abgassammelleitungen erfor'derlidi 'machen.

Hier ist aber d&s Abgas für Meßzwecke schon zu kalt oder es werden die Totzeiten zu groß. Die Sauerstoffkonzentration der Abgase kann nänuich nur motornäh an Stellen gemessen werden, an denen die Abgase noch über 500° C heiß sind, da die SäuerstoFfsonden erst oberhalb dieser Temperatur einwandfrei arbeiten. Die Sauerstoffsonde kann zweckmäßigerweise als an sich bekannte (vgl. öl g. MTZ 1973, Abschnitt 5.9) nlatihkontaktierte Zirkondioxid-Elektrode ausgebildet sein. Die Kennlinie dieser Art von Saüerstoffsonden weist im Bereich stöchiometrischer Sauerstoffkonzentrationen einen sehr steilen Verteuf auf, so daß das elektrische Signal sich bei nur geringfügigen Änderungen der Sauerstoffkonzentration sehr stark ändert. Es können bei Verwendung dieser Art von Säuerstoffsonden die erforderliehen Genauigkeiten eines stöchiometrischen Luft/ Kraftstoffverhältnisses von etwa ± 1 bis 2% gut eingehalten werden.

Die eingangs genannte Literaturstelle befaßt sich mit der exakt gleichmäßigen Versorgung der beiden Zyiinderreihen eines Motors von einer zenCelen Gemischerzeugungseinrichtung. Und zwar sind auch bei diesem Motor katalytische und/oder thermische Reaktoren vorgesehen, wobei jeder Zylinderreihe je ein Reaktor in der entsprechenden Abgassammelleitung motornah zugeordnet ist Dabei kann es sich beispielsweise — wenngleich das dort nicht ausdrücklich erwähnt ist — um sogenannte Selektivkatalysatoren handeln. Unter der Bezeichnung Selektivkatalysator ist neuerdings eine Katalysatorart handelsüblich geworden, die alle drei Arten von Abgaskomponenten, nämlich Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide bei genauer Einhaltung des stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnisses weitgehend oxidieren bzw. reduzieren. In den USA ist diese Art der Katalysatoren unter der auch hier gelegentlich gebrauchten Bezeichnung »three way catalist« bekannt. Dabei werden noch vor den Reaktoren, also an heißen Stellen in den Abgassammelleitungen beider Zylinderreihen jeweils die Sauerstoffkonzentration mit einer Sauerstoffsonde ermittelt. Die zentrale Gemischerzeugungseinrichtung ist mager, d. h. leicht unterstöchiometrisch eingestellt und in den zu je einer Zylinderreihe gehörigen Teilen des Saugkanalsystems ist je eine Einspritzvorrichtung zum separaten Anreichern jedes der beiden Teilströme auf den genau stöchiometrischen Wert des Luft/Kraftstoffverhältnisses angeordnet. Diese Anordnung verspricht zwar funktionell zu befriedigen, ist aber sehr aufwendig, da neben einer kompletten Gemischaufbereitungseinrichtung

noch zwei Einspritzeinrichtungen erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand bei der genau gleichmäßigen mischungstreuen Kraftstoffversorgung zweier Zylinderreihen gegenüber der bekannten Ausführungsform zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst

Die Erfindung nützt den Nachteil einer ungleichmäßigen Gemischverteilung des Saugkanalsystems nutzbringend für die Zwecke der Erfindung aus. Aufgrund dieser nicht mischungstreuen Verteilung ist irgendeine Zylinderreihe mit magerem Gemisch versorgt als die andere Zylinderreihe. Normalerweise wechselt u. U. die Lage der »fetten« Zyiinderreihe. Um nun nicht bei allen Betriebszuständen dauernd feststellen zu müssen, welche Zylinderreihe durch das Saugrohrsystem mit dem fetteren Geniischanteil und welche mit dem magereren Gemischanteil versorgt wird, ist bewußt das Saugkanalsystem asymmetrisch ausgebildet, dergestalt, daß eine Zyiinderreihe in alien Betriebszuständ°n des Motors ein fetteres Luft/Kraftstoffgemisch erhält als die qnderc Zylinderreihe. Eine bewußt ungleiche Gemiscnverteilung auf die beiden Zylinderreihen könnte auch durch ungleiche Auslegung der Steuerzeiten der Einlaßventile der einen Zylinderreihe gegenüber der anderen erzielt werden. Die Anlage wird nun so gefahren, daß die magereren Werte des Luft/Kraftstoffverhältnisses dem stöchiometrischen Wert entsprechen, die andere Seite erhält dann zunächst zu fettes Gemisch. Dieses Gemisch wird durch gezieltes Zuführen von Zusatzluft ebenfalls auf stöchiometrische Gemischverhältnisse abgemagert. Dazu wird neben einer ohnehin erforderlichen steuerbaren GeiTiischaufbereitungseinrichtung und den beiden Sauerstoffsonden lediglich ein steuerbares Ventil und eine Bypaßleitung benötigt

Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles im folgenden noch näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf einen zweireihigen Verbrennungsmotor mit zentraler Gemischerzeugung und F i g. 2 eine Stirnansicht auf den Motor nach F i g. 1.

Der in den Figuren dargestellte Verbrennungsmotor weist zwei separate Zylinderreihen 1 und 2 auf, deren mit Hubkolben versehene Arbeitszylinder 3 über ein SaugkanaJsystem 4 von einer einheitlichen Gemischerzeugungseinrichtung 5 aus mit Luft/Kraftstoffgemisch versorgt werden. Das Saugkanalsystem ist, wie F i g. 1 deutlich zeigt, asymmetrisch ausgebildet. Diese Asymmetrie ergibt sich schon allein aus dem Grunde des Versatzes der Arbeitszylinder in der Zylinderreihe 1 gegenüber denen der Zylinderreihe 2. Die fast unvermeidbare Asymmetrie ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bewußt in Kauf genommen. Sie wirkt sich nämlich so aus, daß das Luft/Kraftstoffgemisch nicht mischungstreu auf die beiden Zylinderreihen verteilt wird und die Arbeitszylinder der einen Zylinderreihe gemeinsam im Mittel ein etwas fetteres Gemisch erhalten als die der anderen Reihe. Die Asymmetrie des Saugrohres ist so groß, daß diese ungleiche Versorgung der beiden Zylinderreihen tendenziell in allen Betriebszuständen des Motors erhalten bleibt und sich nicht etwa umkehrt, d. h. die magere Zylinderreihe ist stets dieselbe. Eine solche Gestaltung ist dem Fachmann auch ohne besondere Hinweise möglich, da sich allein die durch den Zylinde. versatz ergebende Saugrohrasymmetrie schon in der gewünschten Richtung auswirkt. Der Fachmann braucht bedarfsweise lediglich einige weitere geringfügige Asymmetrien anzubringen, um eine Zyiinderreihe zu bevorzugen.

In der Gemischerzeugungseinrichtung 5 ist ein von dem Benzintank 6 aus mittels der Pumpe 7 versorgtes steuerbares Kraftstoffdosierventil 8 vorgesehen, welches durch ein mehr oder weniger starkes elektrisches Signal eine dementsprechend große Benzinnienge durchströmen läßt.

Die von den beiden Zylinderreihen erzeugten Abgase ίο werden über ein Abgasleitungssystem ins Freie geleitet. Dieses umfaßt je Zylinderreihe je eine separate Abgassammelleitung 9 bzw. 10, die jeweils die Abgase einer Zylinderreihe auf jeweils einen motornah gelegenen einheitlichen Strömungsquerschnitt 9a bzw. 10a sammein, an dem die Abgase noch sehr heiß sind, so daß an diesen Stellen jeweils eine Sauerstoffsonde 11 bzw. 12 angeordnet werden kann. Die Sauerstoffsonden bedürfen zu ihrer Wirksamkeit Temperaturen oberhalb von etwa 400 bis 500⁰C. An den Sammelstellen 9a bzw. 10a liegt im zeitlichen Mittel ein Gemisch der Abgase aus den Zylindern einer Zylinderreihv vor. Etwaige Mischungsverfälschungen des Luft/Kraf:stoffgemisches innerhalb der zu einer Zylinderreihe gehörigen Hälfte des Saugkanalsystems 4 in bezug auf die einzelnen Arbeitszylinder der zugehörigen Zylinderreihe werden — zumin.?2st im zeitlichen Mittel — durch die Sammlung der Abgase dieser Arbeitszylinder auf einem einheitlichen Strömungsquerschnitt 9a bzw. 10a wieder ausgeglichen. Für eine gewisse Vermischung der von den einzelnen Arbeitszylindern einer Zylindtrreihe kommenden Abgase untereinander zum Ausgleich von Sauerstoffkonzentrationen ist ein gewisses größeres Volumen im Abgassammler vorgesehen, als für die bloße Gasführung notwendig wäre. Entscheidend für die Funktion der Erfindung ist weniger eine extrem genaue stöchiometrische Versorgung jedes einzelnen Arbeitszylinders, sondern vor allem, daß das den noch zu besprechenden Abgaskatalysatoren zugeführte Abgasgemisch hinsichtlich seiner noch oxydierbaren bzw. reduzierteren Bestandteile sehr genau stöchiometrisch zusammengesetzt ist. Diese Bedingung ist jedoch bei einer Mehrzahl von Katalysatoren für jeden Katalysator einzeln einzuhalten.

Die Sauerstoffsonde ist als beidseitig netzartig platinkontaktierte Zirkondioxidschicht ausgebildet, deren eine Seite den Abgasen und deren andere Seite der freien Atmosphäre zugekehrt ist. Beide Platinkontaktierungen sind mit nach außen geführten Leitungsanschlüssen versehen. Diese Sonden erzeugen je nach Sauerstoffkonzentration bzw. Sauerstoffpartialdruck im Abgas ein unterschiedliches elektrisches Potential an den Leitungsanschlüssen, welches sich im Bereich stöchiometrischer Sauerstoffkonzentrationen sehr stark, im übrigen aber i:ur i,el.-T wenig ändert. Die Zusammensetzung und die Anwendung derartiger Sonden ist bekannt und u. a. in den bereits eingangs erwähnten Veröffentlichungen Deschrieben.

Im dargestellten Ausführungsbeispiei des zweireihigen Verbrennungsmotors ist je Zylinderreihe motornah je ein von den Abgasen zu durchströmender Abgaskatalysator 13 bzw. 14 vorgesehen. Der Katalysator ist in Strömungsrichtung hinter der zugehörigen Sä<ierstoffsonde angebracht, so daß die jeweiligen Abgase in unbehandeltem Zustand an der Sauerstoffsonde entlangströmen und die Sauerstoffkonzentration in unbehandeltem Zustand gemessen wird. Der Katalysator ist ein Einbettkatalysator und als Selektivkatalysator ausgebildet. Er wandelt alle drei Schadstoffkomponenten zu un-

schädlichen Bestandteilen um. Die Abgaszusammensetzung der behandelten Abgase hängt sehr stark von dem Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches auf der Motoreintrittsseite ab. Eine nahezu vollständige Umwandlung aller drei Schadstoffarten in unschädliche Bestandteile findet nur bei sehr genauer Einhaltung einer stöchiometrischen Luft/Kraftstoffzusammensetzung statt.

Nach dem Durchströmen der Abgaskatalysatoren gelangen die behandelten und gereinigten Abgase über die separaten Leitungen 15 und 16 in die gemeinsame Auspuffleitung 17 und von dort über nicht dargestellte Schalldämpfer ins Freie.

An der Gemischerzeugungseinrichtung 5 ist noch eine mit einem elektrisch steuerbaren Ventil 18 versehene Bypaß-Leitung 19 für Zusatzluft angeordnet. Die By- is paß-Leitung umgeht die Gemischerzeugungseinrichtung und verbindet eine Stelle vor der Drosselklappe 20 und der Benzinzufuhrdüse 21 jedoch hinter dem Luftfilter 22 liegende Stelle strömungsmäßig mit einer Stelle 23 im Saugkanalsystem 4.

Die Einmündungsstelle 23 der Bypaß-Leitung 19 in das Saugkanalsystem liegt unsymmetrisch auf derjenigen Hälfte 4" (bei der Zylinderreihe 2), die erfahrungsgemäß stets etwas fetteres Gemisch erhält als die gegenüberliegende Hälfte 4' (bei der Zylinderreihe 1) des Saugkanalsystems. Innerhalb der einen Hälfte 4" des Saugkanalsystems ist die Einmündungsstelle 23 jedoch möglichst dicht an die für beide Hälften gemeinsame Zufuhrstelle 24 des von der Einrichtung 5 erzeugten Gemisches herangerückt, so daß Zusatzluft zu allen Einzelzylindern der Zylinderreihe 2 gelangen kann.

Zur gleichmäßigen Beaufschlagung beider Zylinderreihen 1 und 2 von einer gemeinsamen einheitlichen Gemischerzeugungseinrichtung aus ist die eine Sauerstoffsonde 11 der über die eine Hälfte 4' des Saugkanalsystems 4 mit etwas magererem Luft/Kraftstoffgemisch versorgte Zylinderreihe 1 (der »magereren« Zylinderreihe) mittelbar unter Zwischenschaltung eines elektronischen Steuergerätes 25 mit dem Kraftstoffdosiergerät 8 der Gemischerzeugungseinrichtung verbunden. Ahnlieh ist die andere Sauerstoffsonde 12 der »fetteren« Zylinderreihe 2 mittelbar — elektronisches Steuergerät 26 — mit dem steuerbaren Zuluftventil 18 verbunden.

Das Steuergerät 25 für das Kraftstoffdosierventil ist derart beschaffen, daß es die Kraftstoffzufuhr gegensinnig analog zur Höhe des Ausgangssignales der »magereren« Sauerstoffsonde 11 verändert, so daß bei geringfügigem Luftüberschuß (geringes elektrisches Ausgangssignal) etwas mehr Kraftstoff zugeführt wird und umgekehrt Die Folge davon ist, daß die »magerere« Zylinderreihe ständig mit exakt stöchiometrisch zusammengesetztem Luft/Kraftstoffgemisch versorgt wird und demgemäß der Katalysator 13 der magereren Zylinderreihe 1 optimal arbeiten kann. -

Das Steuergerät 26 für das Zusatzluftventil 18 ist so ausgebildet, daß es Zuluft gleichmäßig analog zur Höhe des Ausgangssignales der Sauerstoffsonde 12 der »fetteren« Zylinderreihe 2 freigibt, so daß bei geringem Luftmangel (hohes elektrisches Ausgangssignal) das Zuluftventil 18 geöffnet wird und umgekehrt Infolgedessen wird das durch die eine Saugkanalsystem-Hälfte 4" nicht völlig mischungstreu, d. h. etwas zu fett gegenüber dem stöchiometrisch erzeugten Gemisch zu der »fetteren« Zylinderreihe geleiteten Gemisch durch Zumischen von Zusatzluft wieder auf stöchiometrische Gemischzusammensetzung gezielt herabgemagerl, so daß auch die Zylinderreihe 2 trotz ungleicher Gemischverteilung ständig mit genau stöchiometrisch zusammengesetztem Gemisch versorgt wird und der zugehörige Abgaskatalysator ebenfalls optimal arbeiten kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gemischverdichtender Hubkolben-Verbrennungsmotor mit zwei separaten 'Zylinderreihen mit je wenigstens einem Arbeitszylindersowie'mit einer für beide Zylindeiteiheri gemeinsamen eihheitlich'en, mit den Arbeitszylindern beider Zylmcierreihen über ein Saugkanalsystem verbundenen, ·επϊε' steuerbare Kraftstoffzufuhr aufweisenden ' Gemischerzeugungsemrichtung sowie für jede Zylinderreihe mit je einem separaten Abgäs-Sammelleiumgssystem und je einem im Äbgasleitungssystem. einer jeden Zylinderreihe angeordneten Abgaskatalysator'zur Nachverbrennung der Motorabgase, "wobei die Abgase der Arbeitszylinder von jeweils einer Zjylmderreihe vorderen Eintrat'in derimgeprcmeten Abgaskatalysator auf einen einheitKöhenStrömtingsquerschnitt gesammelt sind, in ' welchem ' einheitliche Strömungsquerschnitt je eine/fehl, in' seiner Größe vom Wert des L^ i/Kräftstoff-Verhältnisses abhängiges elektrisches Signal·gebende Säuerstoffsbnde angeordnet ist, die jeweils gesondert mit' KOrrekturgliedern zur Gemischsteuerurigder jeweiligen Zylinderreihen wenigstens mittelbar derart in Wirkverbindung stehen, daß das der jeweils zugehörigen Zylinderreihe zugeführte Lüft/Kfaftstoff-Gemisch möglichst genau stöchiometrisch zusammengesetzt ist, d a d u rc h g e k e η η ζ e i c'h ri e t, daß das Saugkanalsystem (4). dergestalt asymmetrisch ausgebildet ist, daß eine Zyliriderreihe (2) in allen Betriebszuständendes M- tors ein fetteres LuftyKraftstoff-Gemisch erhält, als die ändere ZyliR<)erreihe (1), daß die eine Sauerstolffsoride (11), die der mit dem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch versorgen Zylinderreihe

   (1) zugeordnet ist, mit der Kraftstoffzufuhr (8) der Gemischerzeugungseinrichtung (5) in Wirkverbindung steht und daß die andere, der mit fetterem Luft/Kraftstoff-Gemisch versorgten Zylinderreihe

   (2) zugeordnete Sauerstpffsonde^l2) mit einem veränderbaren Ventil (18) in Wirkverbindung steht, welches in einer hinter der Gemischerzeugungseinrichtung (5) in den das fettere Luft/Kraftstoff-Gemisch führenden Teil (4") des Saugkanalsystems (4) einmündenden, Zusatzluft zuführenden Bypaßleitung (19) angeordnet ist.