DE4437947A1 - Verfahren zur Regelung der Zuführung von Zusatzfluidströmen in einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Zuführung von Zusatzfluidströmen in einen Ansaugtrakt einer Brennkraftma­ schine sowie ein Regelungssystem zur Durchführung des Verfah­ rens.

Es ist bekannt (DE 35 11 094 A1 und DE 34 13 419 C2), Zusatz- oder Abgasströme dem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug zuzuführen, um einerseits den Kraftstoffver­ brauch zu verringern und andererseits die Schadstoffemission der Abgasanlage des Kraftfahrzeugs zu reduzieren. Dazu sind in den Ansaugtrakt zusätzliche Zuführkanäle integriert, die eine Zufüh­ rung der Zusatzfluidströme in den Brennraum ermöglichen. Die Zu­ führung der Zusatzfluidströme erfolgt in Abhängigkeit von dem im Ansaugtrakt herrschenden Unterdruck.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Regelungssy­ stem der eingangs genannten Art zu schaffen, durch die eine wei­ tere Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissio­ nen bei der Brennkraftmaschine erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird verfahrensgemäß dadurch gelöst, daß laufend Abgasparameter im Abgastrakt gemessen werden, daß die ermittel­ ten Abgasparameter mit Sollparametern eines Kennfeldes vergli­ chen werden, das unter den Kriterien eines minimalen Kraftstoff­ verbrauches und minimaler Schadstoffemissionen ermittelt wurde, und daß die Zufuhr der Massendurchsätze für die Zusatzfluidströ­ me in Abhängigkeit von den anhand des Kennfeldes ausgewählten, für den jeweiligen Abgasparameter geeigneten Regelgrößen gere­ gelt wird.

Für das Regelungssystem wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Abgastrakt Abgassensoren vorgesehen sind, die zur Ermittlung von Abgasparametern an eine zentrale Regeleinheit angeschlossen sind, die einen Datenspeicher, in den ein Motorkennfeld für ge­ ringen Kraftstoffverbrauch und geringe Schadstoffemission abge­ speichert ist, sowie eine Vergleichs- und Auswerteeinheit auf­ weist, die den ermittelten Abgasparametern bestimmte Stellbefeh­ le zuordnet, und die mittels einer Stelleinrichtung zur Über­ mittlung der ausgewählten Stellbefehle an das wenigstens eine Stellorgan der Fluidleitung angeschlossen ist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, über alle Drehzahl- und Lastbereiche einen gleichmäßig geringen Kraft­ stoffverbrauch und eine gleichmäßig geringe Schadstoffemission zu erzielen. Die Fluiddurchsätze werden aufgrund der ermittelten Abgaswerte, denen bestimmte Stellsignale zugeordnet werden, lau­ fend angepaßt. Durch die erfindungsgemäße elektronische Regelung wird die je nach Bedarf geeignete Zuführung der jeweiligen Zu­ satzfluidströme erreicht. Dies gilt gleichermaßen für transiente Betriebszustände wie beispielsweise Beschleunigungsvorgänge.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfin­ dung, das anhand der Zeichnungen dargestellt ist.

Fig. 1 stellt schematisch eine Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Regelungssystemes dar, das für eine Brenn­ kraftmaschine eines Kraftfahrzeuges vorgesehen ist und

Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Regeleinheit des Regelungssy­ stems nach Fig. 1.

Ein Zylinder einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gemäß der Zeichnung weist oberhalb eines Kolbens (2) einen Brennraum (1) auf. Der Kolben (2) ist in an sich bekannter Weise mit einer Kurbelwelle (3) verbunden, die in an sich bekannter Weise mit­ tels eines Meßgebers (17) eine Ist-Drehzahl (ω_IST) abgibt. Die Brennkraftmaschine weist mehrere Zylinder auf, wobei aus Über­ sichtlichkeitsgründen jedoch lediglich ein einziger Zylinder dargestellt ist. In den Brennraum (1) mündet ein Ansaugtrakt (4), dessen Zugang zum Brennraum (1) mittels eines Einlaßventils (5) verschließbar ist. Auslaßseitig schließt an den Brennraum (1) ein Abgastrakt (6) an, der Teil einer Abgasanlage ist. Der Auslaß zum Abgastrakt (6) ist mittels eines Auslaßventils (7) verschließbar. Im Ansaugtrakt (4) sind zwei als Zuführdüsen für Zusatzfluidströme dienende Injektorbüchsen (8 und 9) vorgesehen, die den Ansaugkanal des Ansaugtraktes (4) an unterschiedlichen Stellen radial umschließen. Dabei ist die Injektorbüchse (8) unmittelbar im Eintrittsbereich des Ansaugkanals in den Brennraum (1) angeordnet, die Injektorbüchse (9) hingegen ist in axialem Abstand vor dem Einlaßventil (5) angeordnet. Beide Injektorbüch­ sen (8 und 9) sind mit je einer Fluidleitung (26, 27) verbunden, mittels denen entsprechende Zusatzfluidströme unter Überdruck gegenüber dem Saugrohrdruck durch die Injektorbüchsen (8 und 9) in den Ansaugtrakt (4) eingespritzt werden. Als Zusatzfluidströ­ me werden über die Fluidleitungen (26 und 27) je nach den Anfor­ derungen bezüglich einer Minimierung des Kraftstoffverbrauchs oder der Schadstoffemission als Zusatzfluidströme Abgasströme, Luftströme, Wasser- oder Brennstoffströme zugeführt. Die Ab­ gasströme werden dabei aus dem Abgastrakt (6) abgeleitet und zum Ansaugtrakt rückgeführt. Die Durchflußmenge, d. h. die Massen­ durchsätze, in den Fluidleitungen (26 und 27) ist mittels je­ weils einer Drosseleinrichtung (10) einstellbar.

Die Injektorbüchse (8) weist neben einer Zuführdüse auch eine Saugdüse auf, an die eine Saugleitung (25) angeschlossen ist. Mittels dieser Saugdüse sind entsprechende Fluidströme, d. h. Gas- oder Gemischströme, absaugbar. Auch die Saugleitung (25) ist mit einer Drosseleinrichtung (10) zur Regelung der Durch­ flußmenge und damit der Höhe des abgesaugten Fluidstromes verse­ hen.

Im Abgastrakt (6) sind mehrere Abgassensoren angeordnet, die die mengenmäßige Zusammensetzung des Abgasstromes analysieren. Ein Abgassensor ist zur Messung des Kohlenoxydgehaltes, ein weiterer zur Messung des Kohlenwasserstoffgehaltes, ein weiterer zur Mes­ sung der Stickoxydemission, ein weiterer zur Messung des Benzol­ gehaltes und ein weiterer zur Messung des Rußgehaltes vorgese­ hen. Die durch die verschiedenen Abgassensoren erfaßten Werte werden mit Hilfe von Signalleitungen (11) an eine Sensoreinheit (12) weitergeleitet, die die verschiedenen Werte der Abgassenso­ ren erfaßt. Von der Sensoreinheit (12) werden die ermittelten Abgaswerte über eine Signalleitung (13) an eine zentrale Regel­ einheit (14, 15, 16) weitergeleitet, an die auch zwei Signallei­ tungen (23 und 24) für die Übermittlung von Druck- und Tempera­ turwerten im Brennraum (1) angeschlossen ist.

In der zentralen Regeleinheit (14, 15, 16) ist ein Kennfeld (14) abgespeichert, das für die Brennkraftmaschine unter den Ge­ sichtspunkten eines minimalen Kraftstoffverbrauchs und einer mi­ nimalen Schadstoffemission ermittelt wurde. In diesem Kennfeld sind alle möglichen auftretenden Bereiche der Abgaswerte, der Motordrehzahlen sowie der Brennraumzustände abgespeichert. Jedem dieser möglichen auftretenden Werte sind entsprechende Regelbe­ fehle für eine geeignete Durchflußmengenregelung der dem Ansaug­ trakt (4) zuzugebenden oder zu entnehmenden Zusatzfluidströme zugeordnet. Aus dem Vergleich der Kennfeldwerte mit den momenta­ nen Meßwerten bildet der Regler auch für transienten Betrieb entsprechende Regelbefehle. Diese Regelbefehle werden mittels einer Stelleinrichtung (16), die Bestandteil der zentralen Reg­ lereinheit (14, 15, 16) ist, an die verschiedenen Drosselein­ richtungen (10) der Fluidleitungen (26 und 27) sowie der Saug­ leitung (25) ausgegeben. Die entsprechenden Stelleitungen zur Übermittlung der Stellbefehle von der Stelleinrichtung (16) an die verschiedenen Drosseleinrichtungen (10) sind mit (20), (21) und (22) bezeichnet. Das Kennfeld (14) ist mittels einer Ver­ gleichs- und Auswerteeinheit (15) mit der Stelleinrichtung (16) verbunden, die die über die Signalleitung (13) und die Signal­ leitungen (23 und 24) eingehenden Meßwerte mit den jeweiligen Daten des Kennfeldes vergleicht und diesen eingehenden Werten dem Kennfeld entsprechend Regelbefehle zuordnet. Selbstverständ­ lich ist an die zentrale Regeleinheit (14, 15, 16) auch eine von einem Gaspedal (18) des Kraftfahrzeugs zugeführte Signalleitung (19) angeschlossen, die die entsprechende Soll-Drehzahl (ω_SOLL) für die Brennkraftmaschine vorgibt.

Über das Kennfeld (14) und die zugehörige Elektronik wird die Brennkraftmaschine derart geregelt, daß ihr Kraftstoffverbrauch und ihre Schadstoffemission so weit wie möglich reduziert sind. Die Regelung erfolgt durch eine entsprechende Reduzierung, Erhö­ hung oder Absperrung der Durchflußmengen der Zusatzfluidströme in den Zusatzfluidleitungen (26 und 27) bzw. in der Saugleitung (25) durch eine entsprechende Ansteuerung der verschiedenen Drosseleinrichtungen (10).

Ein Regler (R) nach Fig. 2 weist eine Korrektureinrichtung (K) auf, der eine Stelleinrichtung (S) nachgeschaltet ist. Diese Stelleinrichtung (S) ist an die Regelstrecke (RS) der Brenn­ kraftmaschine angeschlossen, die den Motor, sowie verschiedene Aggregate und Einrichtungen aufweist. Eingangsgrößen dieser Re­ gelstrecke, die von der Stelleinrichtung (S) übermittelt werden, sind Stellgrößen (y_i), die die verschiedenen Zusatzmassenströme für das Saugrohr definieren. Ausgangsgröße der Regelstrecke (RS) ist die Regelgröße (x), die den Ist-Abgasmassenstrom darstellt. In dem Ausgangsbereich der Regelstrecke sind Meßeinrichtungen (M) für die verschiedenen zu erfassenden Meßgrößen wie den Druck im Brennraum, die Temperatur im Brennraum, die Motordrehzahl so­ wie die Soll-Drehzahl des Motors entsprechend dem Gaspedaldruck angeschlossen. Diese bilden Rückführgrößen (r_i), die vor dem Ein­ gang der Korrektureinrichtung (K) mit den Führungsgrößen (f_i) der Minimalvorgabe (MV) für die Schadstoffe im Abgas zusammengeführt werden. Die daraus resultierenden Regeldifferenzen (x_di) werden der Korrektureinrichtung (K) zugeführt, die die Stelleinrichtun­ gen (S) für die verschiedenen Stellgrößen (y_i) entsprechend betä­ tigt. Durch diesen Regler wird die Ventiltellerüberströmung im Saugrohrbereich durch die variablen Zusatzmassenströme derart beeinflußt, daß im Brennraum eine gezielte räumliche und zeitli­ che Ausbildung der globalen Strömungsstrukturen wie Drall (D) und Tumble (T) (Fig. 1) erfolgt. Durch eine entsprechende Rege­ lung der Zusatzmassenströme ist eine axiale, radiale oder auch sektorale Schichtung im Saugrohr erzielbar, durch die eine nach­ folgende Schichtung, d. h. ein Konzentrationsgefälle, im Brenn­ raum ermöglicht wird. Somit ist eine kraftstoff- und schadstoff­ minimale Verbrennung herbeiführbar. Durch die Regelung der Zu­ satzfluidmassenströme wird zudem eine Strömungsbewegung im Saug­ rohr bewirkt, die zur Unterstützung der Gemischaufbereitung vor und während des Ansaugtaktes beiträgt. Dabei unterstützen die Zusatzfluidmassenströme die Anlaufbewegung der Fluidsäule im Saugrohr zu Beginn des Ansaugtaktes und verbessern die Füllung des Brennraumes. Die Reglereinstellungen sind selbstadaptiv ver­ änderbar, um die verbrauchs- und abgasminimalen Werte sukzessive über der gesamten Betriebszeit annehmen zu können.

Als Regelgrößen, die mittels der Meßeinrichtungen erfaßt werden, dienen der Stickoxid- und der Kohlenwasserstoffmassenstrom sowie Massenströme anderer Abgasbestandteile. Stellgrößen, mittels de­ nen der Ansaugtrakt, d. h. das Saugrohr, versorgt wird - d. h. die verschiedenen Zusatzfluidströme -, sind Zusatzluft-, Zusatzab­ gas-, Zusatzwasser- und Zusatzbrennstoffmassenströme. Eine ent­ sprechende Umfangsverteilung der Massenströme über der Injektor­ buchse ermöglicht die Beeinflussung von Drall-(D) und Tumble-(T) Bewegungen im Brennraum.

Claims (8)

1. Verfahren zur Regelung der Zuführung von Zusatzfluidströmen in einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß laufend Abgasparameter im Abgastrakt (6) der Abgasanlage gemessen werden, daß die ermittelten Abgasparameter mit Sollparametern eines Kennfeldes (14) verglichen werden, das unter den Kriterien eines minimalen Kraftstoffverbrauchs und minimaler Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine ermittelt wurde, und daß die Zufuhr der Massendurchsätze für die Zusatzfluidströme in Abhängigkeit von den anhand des Kennfeldes (14) ausgewählten, für den jeweiligen Abgasparameter geeigneten Regelgrößen geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventiltellerüberströmung durch die variablen Zusatzmassenströme im Saugrohrbereich derart beeinflußt wird, daß eine gezielte räumliche und zeitliche Ausbildung der globalen Strömungsstrukturen (D, T) im Brennraum erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsprofil des Zusatzfluids während der Motortakte eine definierte, kennfeldabhängige Funktion der Zeit ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch axiale, radiale oder auch sektorale Schichtung (im Saugrohr) eine nachfolgende Schichtung in Form eines Konzentrationsgefälles im Brennraum für eine kraftstoff- und schadstoffminimale Verbrennung herbeigeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzfluidmassenströme eine Strömungsbewegung im Saugrohr bewirken, die zur Unterstützung der Gemischaufbereitung vor und während des Ansaugtakts beiträgt.

6. Verfahren einer Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzfluidmassenströme derart geführt sind, daß sie die Anlaufbewegung der Fluidsäule im Saugrohr zu Beginn des Ansaugtakts unterstützen und damit zur besseren Füllung des Brennraums beitragen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglereinstellungen selbstadaptiv veränderbar sind, um die verbrauchs- und abgasminimalen Werte sukzessive über der gesamten Betriebszeit annehmen zu können.

8. Regelungssystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit wenigstens einer in den Ansaugtrakt mündenden Zuführdüse, die an je eine mit einem Stellorgan zum Einstellen des Fluiddurchsatzes versehene Fluidleitung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgastrakt (6) Abgassensoren vorgesehen sind, die zur Übermittlung von Abgasparametern an eine zentrale Regeleinheit (14, 15, 16) angeschlossen sind, die einen Datenspeicher (14), in dem ein Motorkennfeld für geringen Kraftstoffverbrauch und geringe Schadstoffemission abgespeichert ist, sowie eine Vergleichs- und Auswerteeinheit (15) aufweist, die den ermittelten Abgasparametern bestimmte Regelbefehle zuordnet, und die mittels einer Stelleinrichtung (16) zur Übermittlung der ausgewählten Regelbefehle an das wenigstens eine Stellorgan (10) der Fluidleitung (25, 26, 27) angeschlossen ist.