DE2627358C2

DE2627358C2 - Zusatzluft-Zufuhrsystem für Abgasreinigungsvorrichtungen von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2627358C2
Application number: DE2627358A
Authority: DE
Inventors: Norio Susono Shizuoka Shibata
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1976-02-26
Filing date: 1976-06-18
Publication date: 1983-09-08
Also published as: JPS52102920A; US4085586A; DE2627358A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zusatzluft-Zufuhrsystem für Abgasreinigungsvorrichtungen von Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Ein solches Zusatzluft-Zufuhrsystem ist bekannt (DEOS 21 47 340). Das bekannte Zusatzluft-Zufuhrsy= stern speist Zusatzluft in das Abgassystem ein, damit im Abgassystem zur Verminderung des Schadstoffgehaltes eine Nachverbrennung unvollständig verbrannter Abgasbestandteile, insbesondere von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, erfolgt. Beim bekannten Zusatzluft-Zufuhrsystem wird die Tatsache ausgenutzt, daß im Abgassystem aufgrund der Pulsationen des Abgasdrucks auch Drücke unterhalb des atmosphärischen Drucks auftreten, so daß diese Unterdrücke dazu ausgenutzt werden können, durch die Zusatzluftleitung und das Rückschlagventil aus der Umgebung Luft in das Abgassystem einzusaugen. Das bekannte Zusatzluft-Zurohrsystem kommt daher ohne eine elektrisch oder von der Brennkraftmaschine angetriebene Luftpumpe aus und zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus.

Um die gewünschte Abgasreinigung zu erreichen, ist es zweckmäßig, die zugeführte Zusatzluftmenge annä hemd proportional zur Abgasmenge zu erhöhen, d. h. bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine größere Zusatzluftmenge zuzuführen als bei niedrigen Drehzahlen. Diese Forderung wird jedoch durch das bekannte Zusatzluft-Zufuhrsystem nicht erfüllt, da die Menge der in das Abgassystem eingeführten Zusatzluft abnimmt, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine zunimmt, weil die Amplitude der Pulsationen des Abgasdrucks mit der Zunahme der Drehzahl abnimmt Dies wirkt sich besonders nachteilig im Vollastbereich der Brennkraftmaschine aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit kleinem zusätzlichen Aufwand ein Zusatzluft-Zufuhrsystem zu schaffen, das insbesondere bei Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine eine größere Zusatzluftmenge liefert als das bekannte Zusatzluft-Zufuhrsystem.

Diese Aufgabe wird erfindungsger.iäß gelöst durch eine zweite Zuführeinrichtung mit einer Membranpumpe, die weitere Zusatzluft in das Abgassystem pumpt wobei die Bewegung der pumpenden Membran mittels einer Verbindusgsleitung vom Betätigungsteil der Membranpumpe zur Saugleitung der Brennkraftmaschine durch die Pulsationen des Ansaugunterdrucks in der Saugleitung unmittelbar erzeugt wird.

Bei der Erfindung wird ausgenutzt daß auch der

Ansaugunterdruck nicht konstant ist sondern pulsiert. Die Amplituden der Pulsationen des Ansaugunterdrucks sind bei Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine am größten, so daß die Membran der Membranpumpe der zweiten Zufuhreinrichtung gerade oe' Vollastbetrieb am stärksten ausgelenkt wird. Dies hat zur Folge, daß die zweite Zufuhreinrichtung bei Vollastbetrieb die stärkste Pumpwirkung hat und somit die größte Zusatzluftmenge liefert. Da diese Zusatzluftmenge zu der von der ersten Zufuhreinrichtung gelieferten Zusatzluftmenge hinzutritt, liefert das erfindungsgemäße Zusatzluft-Zufuhrsystem bei Vollastbetrieb eine wesentlich größere Zusatzluftmenge, was wiederum eine günstige Nachverbrennung der unvollständig verbrannten Abgasbestandteile im Abgassystem zur Folge hat.

Aus der DE-OS 14 76 524 ist eine Membranpumpe zur Einspeisung von Zusatzluft in das Abgassystem bei unem Zusatzluft-Zufuhrsystem bereits an sich bekannt. Anders als bei der Erfindung wird die Membran der Membranpumpe gemäß der DE-OS 14 76 524 jedoch nicht mit den Pulsationen des Ansaugunterdrucks, sondern mit »geglättetem« Ansaugunterdruck beaufschlagt Dieser Unterschied ist von entscheidender Bedeutung für die Funktion der Membranpumpe, da die bekannte Membranpumpe gerade im Leerlauf eine große Zusatzluftmenge liefern soll (Seite 2, Zeilen 1 bis 8 von unten, der DE-OS 14 76 524). Da im Leerlauf zwar der Ansaugunterdruck hoch ist, die Amplituden der Pulsationen des Ansaugunterdrucks jedoch gering sind, muß die Membran der bekannten Membranpumpe zur Erfüllung von deren Funktion mit »geglättetem« Ansaugunterdruck beaufschlagt werden, bei dem die Pulsationen so weit wie möglich unterdrückt sind. Zu diesem Zweck weist das aus der DE-OS 14 76 524

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bekannte Zusatzluft-Zufuhrsystem zwischen der Betätigungskammer der Membranpumpe und der Saugleitung einen Druckausgleichsbehälter auf, der an die Betätigungskammer einen weitgehend konstanten Ansaugunterdruck liefert (Seite 2, Zeilen 9 und 10, der DE-OS 14 76 524). Da dieser konstante Ansaugunterdruck keine pulsierende Bewegung der Membran hervorrufen kann, ist zusätzlich ein Belüftungsventil vorgesehen, das die Betätigungskammer immer dann mit der umgebenden Atmosphäre verbindet, wenn die Membran vom Ansaugunterdruck über ein gewisses Maß ausgelenkt worden ist (Seite 4, Absatz 1, der DE-OS 14 76 524). Soweit die Membranpumpe des Zusatzluft-Zufuhrsystems gemäß der DE-CS 14 76 524 vom Unterdruck in der Saugleitung angetrieben wird, erfolgt dies somit auf gänzlich andere Weise als bei der Erfindung und mit zur Erfindung entgegengesetzter Wirkung, nämlich der Lieferung einer geringen Zusatzluftmenge bei Vollast und einer hohen Zusatzluftmenge im Leerlauf. Somit hat die Membranpumpe gemäß der DE-OS 14 76 524 im Prinzip die gleiche und für nachteilig befundene Liefercharakteristik wie das Zusatzluft-Z'Juhrsystem gemäß der DE-OS 21 47 340.

Beim Zusatzluft-Zufuhrsystem gemäß der DE-OS 14 76 524 ist ferner vorgesehen, daß der Druckausgleichsbehälter auch in Verbindung mit einem Venturirohr im Abgassystem steht, so daß bei großen Abgasmengen auf den Druckausgleichsbehälter niedriger Druck gegeben wird, der zu einer entsprechend großen von der Membranpumpe gelieferten Zusatzluftmenge führt Diese Maßnahme ist zwar geeignet, bei Vollastbetrieb die Zusatzluftmenge zu erhöhen, sie hat jedoch keinerlei Ähnlichkeit mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag und bedingt einen großen zusätzlichen Aufwand.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläut .rt Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zusatzluft-Zufuhrsystems,

Fig.2 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Zusatzluftmenge vom Ansaugunterdruck beim erfindungsgemUßen Zusatzluft-Zufuhrsystem veranschaulicht.

F i g. 3 ein Diagramm, das das Betriebsverhalten des erfindungsgemäßen Zusatzluft-Zufuhrsystems während einer Beschleunigung dei Brennkraftmaschine erläutert, und

F i g. 4 j\ne schematiscne Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zusatzluft-Zufuhrsystems.

Gemäß der Darstellung in F i g. 1 weist eine durch einen Block schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 1 eine Saugleitung 2, durch die Luft oder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführt wird, sowie eine Auslaßleitung 3 auf, durch die die Abgase ausgestoßen werden und die zusammen mit einem in der Auslaßleitung angeordneten herkömmlichen katalytischer! Konverter 4 ein Abgassystem bildet. In der Auslaßleitung mündet stromauf des katalytischen Konverters eine Zusatzluft-Zufuhröffnung 5, die mit einem Ende einer Zusatzluftleitung 7 verbunden ist, deren anderes Ende an einen Luftfilter 6 angeschlossen ist. In der Zusatzluftleitui-g 7 ist eine Einheit 8 aus einem Rückschlagventil 13 und einer Membranpumpe angeordnet

Die Einheit 8 umfaßt ein Ventilgehäuseteil 11, das einen Abschnitt der Zusatzluftleitung 7 bildet und eine Trennwand 9 aufweist, die die vom Ventilgehäuseteil begrenzte Zusätzluftleitung unterteilt in einen stromauf liegenden Abschnitt (Luftfilterabschnitt) und einen stromab liegenden Abschnitt (Auslaßleitungsabschnitt). Die Einheit 8 umfaßt ferner ein Pumpengehäuseteil 12, das sich auf einer Seite des Ventilgehäuseteils befindet Die Trennwand 9 des Ventilgehäuseteils trägt das Rückschlagventil 13, das eine in der Trennwand ausgebildete Durchgangsöffnung 14 sowie ein Plattenventilelement 15 aufweist, das an der unteren Seite der Trennwand befestigt ist, wobei das Plattenventilelement in eine Stellung vorgespannt ist, in der es durch seine Eigenelastizität die Durchgangsöffnung geschlossen hält

Das Pumpengehäuseteil 12 umschließt eine Betätigungskammer 16 und eine Pumpenkammer 18, die durch eine Membran 17 voneinander getrennt sind. Die Betätigungskammer !6 ist über eine Ye-bindungsJeätung 19 mit einer Öffnung 21 verbunden, die in die Saugleitung 2 stromab einer Drosselklappe 20 mündet so daß die Betätigungskammer 16 mit dem Ansaugunterdruck der Brennkraftmaschine beaufschlagt ist Die Membran 17 ist durch eine als Schraubenfeder ausgebildete Druckfeder 22 nach rechts (in Fig. 1) vorgespannt, so daß einer Auslenkung der Membran nach links infolge des Ansaugunterducks, mit dem die Betätigungskammer 16 beaufschlagt ist die Federkraft der Druckfeder 22 entgegenwirkt Die Pumpenkammer .18 ist durch eine Lufteinlaßöffnung 23 mit dem stromauf liegenden Abschnitt 10 der Zusatzluftleitung 7 oberhalb der Trennwand 9 verbunden Ferner ist die Pumpen-J₅ kammer 18 durch eine Luftauslaßöffnung 25 mit dem stromab liegenden Abschnitt der Zusatzluftleitung 7 unterhalb der Trennwand 9 verbunden. Die Lufteinlaßöffnung 23 ist mit einem Plattenventi]elen,-ent 24 versehen, das eine Luftströmung nur vom Abschnitt 10 zur Pumpenkammer 18 zuläßt Auf ähnliche Weise ist die Luftauslaßöffnung 25 mit einem Plattenventilelement 26 versehen, das eine Luftströmung nur von der Pumpenkammer 18 zum stromab liegenden Abschnitt der Zusatzluftleitung 7 zuläßt

Im Betrieb bewirkt die in der Auslaßleitung 3 erzeugte pulsierende Strömung periodisch einen Unterdruck in der Auslaßleitung, der auf das Rückschlagventil 13 wirkt so daß eine Luftströmung erzwungen wird, die das Rückschlagventil 13 von stromauf nach stromab durchströmt während das Plattenventilelement 15 nach unten (in F i g. 1) ausgelenkt ist so daß Zusatzluft in das Abgassystem durch den Abschnitt 10, das Rückschlagventi' 23 und die Zusatluft-Zuführöffnung 5 eingeleitet wird.

Gleichzeitig wirjj auf die Membran 17 der pulsierende Ansaugunterdruck, der durch die Verbindungsleitung 19 aus der Saugleitung 2 zugeführt wird. Wenn der Ansaugunterdruck verhältnismäßig groß ist wird die Membran 17 gegen die Wirkung der Druckfeder 22 nach links (in F i g. 1) ausgelenkt, so daß Luft durch die Lufteinlaßöffnung 23 in die Pumpenknm.ner 18 eingesaugt wird, wobei während dessen das Plattenventilelement 24 nach links (in Fig. 1) ausgelenkt ist. Wenn danach der pulsierende Ansaugunterdruck in der Saugleitung 2 relativ gering wird, wird die Membran 17 von der Kraft der Druckfeder 22 nach rechts ausgelenkt, so daß ein Teil der in der Pumpenkammer 18 enthaltenen Luft durch die Luftauslaßöffnune 25 in den

stromab der Trennwand 9 befindlichen Abschnitt der Zusatzluftleitung 7 gedruckt wird, wobei während de.sen das Plattenventilelement 26 nach rechts ausgelenkt ist. Auf diese Weise wird entsprechend den Pulsationen des Ansaugunterdrucks in der Saugleitung Luft durch die im Pumpengehäuseteil 12 angeordnete Membranpumpe zur Zusatzluft-Zufuhröffnung 5 gepumpt. Folglich werden die durch die Auslaßleitung 3 strömenden Abgase mit der Summe aus derjenigen Zusatzluftmenge A, die infolge der Pulsationen des Abgasdrucks eingebracht wird, und derjenigen Zusatzluftmenge B versorgt, die infolge der Pulsationen des Ansaugunterdrucks eingebracht wird (siehe Fig.2). Wie aus der Darstellung in F i g. 2 erkennbar ist, ist die Menge der eingebrachten Zusatzluft größer als bei einem herkömmlichen Zusatzluft-Zufuhrsystem, bei dem die Zusatzluftzufuhr nur von den Pulsationen des Abgasdrucks abhängt, und zwar insbesondere in dem Bereich, in dem der Ansaugunterdruck gering ist, d. h. die Brennkraftmaschine mit hoher Drehzahl und hoher Belastung betrieben ν ;rd, so daß der Nachteil des herkömmlichen Zusatzluft-Zufuhrsystems behoben ist, daß die Zufuhr von Zusatzluft unter hoher Belastung und hoher Drehzahl ungenügend ist.

Da der Ansaugunterdruck während der Beschleunigung der Brennkraftmaschine beträchtlich abnimmt (siehe Fig.3), ist die Pumpwirkung der von den Pulsationen des Ansaugunterdrucks betätigten Membranpumpe gerade während der Beschleunigung vergrößert, so daß die Menge der zum Abgassystem gepumpten Zusatzluft entsprechend vergrößert ist. Dies fällt mit einer Zunahme des Gehaltes an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas zweckmäßig zusammen, die durch das fette Luft-Kraftstoff-Gemisch während des Beschleunigens hervorgerufen wird, so daß eine ausreichende Abgasreinigung sogar unter Besehicuriigurigsbedingungen der Brennkraftmaschine sichergestellt ist.

Fig.4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Zusatzluft-Zufuhrsystems. In F i g. 4 sind diejenigen Teile und Elemente, die Teilen und Elementen der Ausführungsform gemäß F i g. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Eine ausführliche Erläuterung dieser Teile und Elemente erfolgt daher nicht erneut. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4 ist ein elektromagnetisches Schaltventil 27 in der Verbindungsleitung 19 angeordnet, das die Beaufschlagung der Betätigungskammer 16 mit dem Ansaugunterdruck steuert Wenn das elektromagnetische Schaltventil 27 nicht erregt ist nimmt es aufgrund seiner Vorspannung die in F i g. 4 dargestellte Stellung ein, so daß eine mit der öffnung 21 verbundene öffnung 27a mit einer mit der Betätigungskammer 16 verbundenen öffnung 27b in Verbindung steht. Wenn dagegen der Magnet 28 des Schaltventils 27 erregt ist, ist die Öffnung 27b statt mit der öffnung 27a mit einer weiteren öffnung 27c verbunden, die über eine Leitung 29 mit dem Auslaß des Luftfilters 6 in Verbindung steht, so daß an der Betätigungskammer 16 im wesentlichen der Umgebungsdruck anliegt. Der Magnet 28 des elektromagnetischen Schaltventils 27 liegt in einem Schaltkreis, der eine Batterie 30, einen Zündschalter 31 für die Brennkraftmaschine, eine Sicherung 32 sowie eine Steuereinrichtung 34 umfaßt, die den Schaltkreis in Abhängigkeit von der durch einen Thermofühler 33 ermittelten Temperatur des katalytischen Konverters 4 schließt oder öffnet. Wenn der Thermofühler 33 eine Temperatur ermittelt, die unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, wird dadurch die Steuereinrichtung 34 so angesteuert, daß sie die Stromzufuhr zum Magneten 28 unterbricht, so daß die öffnungen 27a und 27b miteinander verbunden sind und die Membranpumpe mit den Pulsationen des Ansaugunterdrucks beaufschlagt ist. Wenn im Gegensatz dazu der Thermofühler 33 ein Überhitzen des katalytischen Konverters 4 ermittelt, schließt die Steuereinrichtung 34 den Schaltkreis für den Magneten 28, so daß das Ventilelement des Schaltventil nach unten (in Fig.4) bewegt wird und dadurch die öffnungen 27b und 27c in Verbindung miteinander stehen, so daß die Betätigungskammer 16 mit Umgebungsdruck beaufschlagt ist und die Membranpumpe außer Betrieb bleibt. Wenn die Temperatur

des katalytischen Konverters 4 unterhalb der vorbe- f stimmten Temperatur liegt, ist somit die Menge der in < das Abgassystem der Brennkraftmaschine eingeleiteten Zusatzluft gleich der Summe der Zusatzluftmengen, die aufgrund der Pulsationen des Abgasdrucks sowie

aufgrund der Pulsationen des Ansaugunterdrucks zugeführt werden, wogegen die Menge der Zusatzluft auf diejenige Menge verringert ist, die aiiein aufgrund der Pulsationen des Abgasdrucks eingeleitet wird, wenn die Temperatur des katalytischen Konverters oberhalb

eines bestimmten Wertes liegt und diesem Überhitzung droht, so daß der Konverter vor thermisch bedingten Schäden geschützt ist.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind das Rückschlagventil 13 und die Membran-

pumpe zu einer Einheit in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefaßt, wobei für beide Zusatzluftteilmengen eine einzige Zusatzluftleitung benutzt wird. Es versteht sich jedoch, daß die Membranpumpe und das Rückschlagventil auch räumlich getrennt voneinander

so ausgebildet sein können und die Zusatzluftteilr jngen durch getrennte Zusatzluftleitungsabschnitte in das Abgassystem eingeleitet werden können. ,

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Züsatzluft-Zufuhrsystem für Abgasreinigungsvorrichtungen von Brennkraftmaschinen, mit einer Zuführeinrichtung, die eine zur Umgebung offene und in das Abgassystem der Brennkraftmaschine mündende Zusatzluftleitung umfaßt, in der sich ein Rückschlagventil befindet, das Luft nur in Richtung zum Abgassystem durchläßt, so daß der pulsierende Abgasdruck die Zusatzluft in das Abgassystem saugt, gekennzeichnet durch eine zweite Zuführeinrichtung mit einer Membranpumpe (12, 16, 17, 18), die weitere Zusatzluft in das Abgassystem (3,4) pumpt, wobei die Bewegung der pumpenden Membran (17) mittels einer Verbindjungsleitung (19) vom Betätigungsteil der Membranpumpe zur Saugleitung (2) der Brennkraftmaschine durch die Pulsationen des Ansaugunterdrucks in der Saugleitung unmittelbar erzeugt wird.

2. Zufuhrsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (13) und die Membranpumpe (12, 16, 17, 18) eine bauliche Einheit (8) bilden, weiche die Luft in den zum Abgassystem (3, 4) führenden Abschnitt (7, 11) der Luftleitung (7,10,11) liefert

3. Zufuhrsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranpumpe eine Pumpenkammer (18) und eine Betätigungskammer (16) umfaßt, die auf entgegengesetzten Seiten der Membran (1 *) liegen.

4. Zufuhrsystem nach eine™ der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Schaltventil (27), das die Beaufschlagung der Meir.bran-'17) mit den Pulsationen des Ansaugunterdrucks in Abhängigkeit von der Temperatur eines zum Abgassystem (3,4) gehörenden katalytischer! Konverters (4) unterbindet.

5. Zufuhrsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltventil (27) ein Magnetventil ist und eine von einem Thermofühler (33) zum Ermitteln der Temperatur des kataly tischen Konverters (4) beeinflußte Steuereinrichtung (34) vorgesehen ist, die einen Stromkreis (30 bis 34, 28) für das Magnetventil öffnet und schließt.

6. Zufuhrsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil erregt ist, wenn die Temperatur des katalytischen Konverters (4) oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, und dann die Membranpumpe (12, 16, 17, 18) von der Saugleitung trennt.