DE4428976C1 - Brennkraftmaschine mit einer in einen Ansaugtrakt mündenden Abgasrückführung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer in einen Ansaugtrakt mündenden Abgasrückführung, wobei die rückgeführte Abgasmenge mittels einer Steuervorrichtung in Abhängigkeit von durch einen Sauerstoffsensor übermittelten Signalen steuerbar ist und der Sauerstoffsensor stromabwärts des Mündungsbereiches der Abgasrückführung in den Ansaugtrakt angeordnet ist.

Eine solche Brennkraftmaschine ist aus der DE 37 03 091 C2 bekannt. Bei dieser Brennkraftmaschine ist eine einen Abgastrakt mit einem Ansaugtrakt verbindende Abgasrückführung vorgesehen, durch die eine deutliche Reduzierung der Schadstoffemission und des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine erzielt wird. Die rückgeführte Abgasmenge wird mittels eines Steuerventils gesteuert, wobei als maßgeblicher Parameter die Sauerstoffkonzentration im Ansaugtrakt zur Steuerung herangezogen wird. Zur Ermittlung der jeweiligen Sauerstoffkonzentration im Ansaugtrakt ist ein Sauerstoffsensor vorgesehen, der die Sauerstoffkonzentration im Ansaugtrakt mit derjenigen der Umgebungsluft vergleicht und entsprechende Signale an die Steuereinheit weiterleitet. Der Sauerstoffsensor ist stromabwärts des Mündungsbereiches der Abgasrückführung in den Ansaugtrakt eingesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch im Magerbetrieb, d. h. einem Betrieb mit Luftüberschuß, eine zuverlässige Reduzierung von Schadstoffemission und Kraftstoffverbrauch gewährleistet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Ansaugtrakt wenigstens im Mündungsbereich der Abgasrückführung in Strömungsrichtung unter Bildung eines Abgaskanales sowie eines Frischluftkanales zweigeteilt ist, und daß der Sauerstoffsensor derart zwischen dem Abgaskanal und dem Frischluftkanal angeordnet ist, daß er die Sauerstoffgehalte im Abgaskanal und im Frischluftkanal zueinander in ein Verhältnis setzt. Durch die Zweiteilung des Ansaugtraktes und durch die Anordnung des Sauerstoffsensors zwischen den beiden Teilen des Ansaugtraktes ist es möglich, auch im Luftüberschußbetrieb der Brennkraftmaschine eine zuverlässige Regelung der rückgeführten Abgasmenge zu erzielen. Die Sauerstoffkonzentrationsunterschiede im Abgaskanal und im Frischluftkanal sind nämlich so groß, daß ein ausreichendes Spannungssignal zur Übermittlung an die Steuervorrichtung für die Abgasrückführung erzielt wird. Beim Stand der Technik, bei dem der Sauerstoffsensor stromabwärts des Mündungsbereiches der Abgasrückführung in den Ansaugtrakt eingesetzt ist und die Sauerstoffkonzentration im Ansaugtrakt mit der Sauerstoffkonzentration der Umgebungsluft außerhalb des Ansaugtraktes verglichen wird, ist im Luftüberschußbetrieb die Konzentrationsdifferenz nämlich so gering, daß keine Steuerung der Abgasrückführung mehr möglich ist. Durch die Vermischung der eingeleiteten Abgasmenge mit der Frischluft im Ansaugtrakt ist nämlich ein Konzentrationsunterschied aufgrund der eingeleiteten Abgasmenge nicht mehr erfaßbar, da die Empfindlichkeit des Sauerstoffsensors hierzu nicht ausreicht. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber dem Stand der Technik ist es, daß durch die Anordnung beider Vergleichskammern des Sauerstoffsensors innerhalb des Ansaugtraktes Meßsignalfehler aufgrund von Druckschwankungen vermieden werden, da sowohl im Abgaskanal als auch im Frischluftkanal jeweils gleiche Druckverhältnisse herrschen. Beim Stand der Technik hingegen wird als Vergleichskammer die Umgebung gewählt, die einen gleichbleibenden Umgebungsdruck aufweist. Innerhalb des Ansaugtraktes sind jedoch prinzipbedingt große Druckschwankungen je nach Laststellung der Drosselklappe vorhanden, so daß der Sauerstoffsensor beim Stand der Technik keine fehlerfreie Auswertung ermöglicht. Durch die erfindungsgemäße Lösung hingegen wird die Menge des rückgeführten Abgasstromes relativ genau erfaßt, so daß eine zuverlässige Regelung der Abgasrückführung auch im Magerbetrieb der Brennkraftmaschine erzielt wird. Somit wird im Magerbetrieb eine zuverlässige Reduzierung von Schadstoffemission und Kraftstoffverbrauch erzielt.

Es sei nochmals erwähnt, daß die Probleme der Abgasrückführ-Rege­ lung auch bei stöchiometrischem Betrieb auftreten und durch die erfindungsgemäßen Merkmale beseitigt werden können.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Querschnitt des Abgaskanales geringer als derjenige des Frischluftkanales. Dadurch ist der Frischluftanteil im Abgaskanal vergleichsweise gering, wodurch die rückgeführte Abgasmenge relativ genau erfaßbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Abgaskanal und der Frischluftkanal durch eine in den Ansaugtrakt eingebrachte Trennplatte gebildet. Dies ist eine besonders einfache Ausgestaltung, da die Trennplatte in einfacher Weise nachträglich in einen bereits vorhandenen Ansaugtrakt eingebracht werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Trennplatte mit einer Halterung für den Sauerstoffsensor versehen. Dadurch wird der Sauerstoffsensor in einfacher Weise derart an der Trennplatte befestigt, daß er zum einen in den Abgaskanal und zur Bildung einer Vergleichskammer in den Frischluftkanal ragt. Zweckmäßig ist der Sauerstoffsensor lotrecht zur Trennplatte ausgerichtet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Trennplatte aus Blech hergestellt und bündig an die Innenwandung des Ansaugtraktes angeschweißt oder angelötet. Dies ist eine besonders einfache und kostengünstige und dennoch funktionssichere Ausgestaltung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist als Sauerstoffsensor eine Lambda-Magersonde vorgesehen. Dieser Sauerstoffsensor ist für den Betrieb der Brennkraftmaschine mit Luftüberschuß, d. h. für einen Magerbetrieb, besonders geeignet, da die Lamdba-Magersonde im Luftüberschußbereich eine erhöhte Empfindlichkeit aufweist. Als Lambda-Magersonde dient insbesondere eine übliche Lambda-Sonde, die jedoch mit einer Auswerteelektronik zur Erhöhung der Empfindlichkeit versehen ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das anhand der Zeichnungen dargestellt ist. Selbstverständlich ist die in den Ansprüchen beschriebene Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, die mit einer Abgasrückführung versehen ist,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung ebenfalls schematisch einen Ausschnitt eines Ansaugtraktes der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 in einem Mündungsbereich der Abgasrückführung nach Fig. 1, und

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Ansaugtrakt nach Fig. 2 entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 2.

Eine Brennkraftmaschine (1) nach Fig. 1 stellt einen vierzylindrigen Ottomotor dar, der einen an einen nicht näher dargestellten Vergaser (5) anschließenden Ansaugtrakt (2) sowie abgasseitig einen Abgastrakt (3, 4) aufweist. Der Abgastrakt (3, 4) ist mit einem Auspuffkrümmer (3) sowie einem daran anschließenden Abgasrohr (4) versehen, das Teil einer an sich bekannten Abgasanlage ist. Teil des Vergasers (5) ist eine im Ansaugtrakt (2) angeordnete Drosselklappe (16) (Fig. 2). Durch den Ansaugtrakt (2) wird Frischluft angesaugt, deren Menge durch die Drosselklappe (16) geregelt wird. Im Ansaugtrakt (2) herrscht eine Saugströmung zu den Brennräumen der Brennkraftmaschine (1).

In Strömungsrichtung des Abgasstromes im Abgastrakt (3, 4) unmittelbar hinter dem Auspuffkrümmer (3) wird ein Abgasteilstrom abgezweigt und über eine Abgasrückführung (6) dem Ansaugtrakt (2) stromabwärts der Drosselklappe (16) zugeführt. Die Abgasrückführung (6) mündet in einem Mündungsbereich (8) in den Ansaugtrakt (2), der sich stromabwärts der Drosselklappe (16) befindet. In der Abgasrückführung (6) ist ein regelbares Steuerventil (7) vorgesehen. Auf Höhe des Mündungsbereiches (8) ist der Ansaugtrakt (2) über eine bestimmte Länge - in Strömungsrichtung gesehen - in zwei Kanalteile, einen Abgaskanal (9) und einen Frischluftkanal (12), unterteilt. Die Unterteilung ist in einfacher Weise durch ein plattenförmiges, als Trennplatte dienendes Separierblech (10) erfolgt, das in das Ansaugrohr des Ansaugtraktes (2) eingeschoben ist und zu beiden Seiten mit Hilfe von Schweißnähten (24) mit der Innenwandung des Ansaugrohres verschweißt ist. Das Separierblech (10) ist derart in Strömungsrichtung von Frischluftströmen (17, 18) des Ansaugrohres ausgerichtet, daß ein im Mündungsbereich (8) von der Abgasrückführung (6) in das Ansaugrohr des Ansaugtraktes (2) mündender Abgasstrom (19) lotrecht auf das Separierblech (10) prallt. Die Breite des Separierbleches (10) ist so bemessen, daß es nur außermittig in einer oberen Hälfte des Ansaugrohres mit dessen Innenwandung bündig verschweißbar ist. Durch diese außermittige Anordnung des Separierbleches (10) ergeben sich für den Abgaskanal (9) und für den Frischluftkanal (12) des Ansaugrohres unterschiedliche Strömungsquerschnitte (Fig. 3). Der Querschnitt des Abgaskanales (9) ist wesentlich geringer als der Querschnitt des Frischluftkanales (12). In Strömungsrichtung in der Mitte des Separierbleches (10) sowie etwa auf halber Länge des Separierbleches (10) ist in diesem ein Sauerstoffsensor (11) angeordnet, wobei das Gehäuse des Sauerstoffsensors (11) in einfacher Weise in eine entsprechende Gewindebohrung des Separierbleches (10) eingeschraubt ist. Der Sauerstoffsensor (11) ragt lotrecht durch das Separierblech (10) hindurch und ist damit auch lotrecht zur Strömungsrichtung der Frischluftströme (17 und 18) ausgerichtet. Als Frischluftstrom (17) wird der Anteil der Frischluftströmung im Ansaugrohr bezeichnet, der durch den Abgaskanal (9) hindurchgeführt wird. Als Frischluftstrom (18) wird der durch den unterhalb des Abgaskanales (9) angeordneten Frischluftkanal (12) strömende Teil der Frischluftströmung im Ansaugrohr bezeichnet.

Ein Meßteil (11a) des Sauerstoffsensors (11) ragt in den Abgaskanal (9) hinein, eine Vergleichskammer (11b) des Sauerstoffsensors (11) ist innerhalb des Frischluftkanals (12) angeordnet. Der Sauerstoffsensor (11) stellt eine Lambda-Sonde dar, wobei besonders vorteilhaft eine mit einer Regeleinrichtung für einen Magerbetrieb nach der DE 32 31 122 A1 versehene Lambda-Sonde zum Einsatz kommt. Der Sauerstoffsensor (11) setzt die im Abgaskanal (9) durch den Meßteil (11a) ermittelte Sauerstoffkonzentration mit der im Frischluftkanal (12) herrschenden und durch die Vergleichskammer (11b) erfaßten Sauerstoffkonzentration entsprechend dem an sich bekannten Lambda-Son­ denprinzip ins Verhältnis, wodurch eine elektrische Spannung erzeugt wird. Dieses Spannungssignal wird mittels einer Signalleitung (14) einer elektronischen Steuereinheit (13) übermittelt. In der Steuereinheit (13) werden die durch die Signalleitung (14) übermittelten Werte mittels eines Datenspeichers (20) erfaßt und in einem Vergleicher (22) mit entsprechenden Sollwerten eines Kennfeldspeichers (21) verglichen. Im Kennfeldspeicher (21) ist ein Kennfeld abgespeichert, das anhand einer Vielzahl von Betriebsparametern für eine minimale Schadstoffemission, eine reduzierte Ladungswechselarbeit sowie eine deutliche Absenkung des Kraftstoffverbrauches ermittelt wurde. Der Vergleicher (22) ist an eine Auswerteeinheit (23) angeschlossen, die abhängig von dem Ergebnis des Soll-Ist-Wert­ vergleichs eine laufende Steuerung des Steuerventils (7) vornimmt. Dazu ist die Auswerteeinheit (23) der Steuereinheit (13) mittels einer Steuerleitung (15) an das Steuerventil (7) angeschlossen.

Da der im Mündungsbereich (8) in das Ansaugrohr mündende Abgas­ strom (19) erfindungsgemäß lediglich mit einem Teil der Ansaugströmung, nämlich dem Frischluftstrom (17) vermischt wird, ergibt sich eine ausreichend große Partialdruckdifferenz zu dem anderen Teil des Ansaugrohres, nämlich dem Frischluftkanal (12), wodurch eine dem Abgasmassenstrom (19) proportionale Spannung erzeugt wird, die für definierte Drehzahllastpunkte jeweils reproduzierbar ist. Da das Ansaugrohr des Ansaugtraktes (2) lediglich über die Länge des Separierbleches (10) zweigeteilt ist, erfolgt in Strömungsrichtung hinter dem Separierblech (10) eine homogene Vermischung des Abgasstromes (19) mit der gesamten Ansaugströmung.

Claims (6)

1. Brennkraftmaschine mit einer in einen Ansaugtrakt mündenden Abgasrückführung, wobei die rückgeführte Abgasmenge mittels einer Steuervorrichtung in Abhängigkeit von durch einen Sauerstoffsensor übermittelten Signalen steuerbar ist und der Sauerstoffsensor stromabwärts des Mündungsbereiches der Abgasrückführung in den Ansaugtrakt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansaugtrakt (2) wenigstens im Mündungsbereich (8) der Abgasrückführung (6) in Strömungsrichtung unter Bildung eines Abgaskanales (9) sowie eines Frischluftkanales (12) zweigeteilt ist, und daß der Sauerstoffsensor (11) derart zwischen dem Abgaskanal (9) und dem Frischluftkanal (12) angeordnet ist, daß er die Sauerstoffgehalte im Abgaskanal (9) und im Frischluftkanal (12) zueinander in ein Verhältnis setzt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Abgaskanales (9) geringer ist als derjenige des Frischluftkanales (12).

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskanal (9) und der Frischluftkanal (12) durch eine in den Ansaugtrakt (2) eingebrachte Trennplatte (10) gebildet sind.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennplatte (10) mit einer Halterung für den Sauerstoffsensor (11) versehen ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennplatte (10) aus Blech hergestellt ist und bündig an die Innenwandung des Ansaugtraktes (2) angeschweißt oder angelötet ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Sauerstoffsensor (11) eine Lambda-Magersonde vorgesehen ist.