SE468523B - Anordning foer luftinblaasning i ett med katalytisk avgasrenare foersett avgassystem till en oeverladdad ottomotor - Google Patents

Description

468 523 2 Katalysatorn är därför kompletterad med en syremätande enhet (s.k. lambdasond) i avgasröret och en elektronisk återkopp- ling till bränslesystemet för kontinuerlig finjustering av bränsletillförseln. Begreppet "lambda" betecknar härvid förhållandet mellan det tillgängliga och det för fullständig förbränning erforderliga syret. ' = Hittillsvarande avgassystem med katalysatorrenare har visat sig fungera mycket tillfredsställande så snart motor och katalysator har uppnått sina avsedda arbetsförhållanden i vad gäller speciellt drifttemperaturen.

Vid start av kall motor, och därmed också kall katalysator, och då givetvis speciellt vid kylig väderlek, måste man emellertid räkna med en viss tid innan motor och katalysator har hunnit uppnå avsedd drifttemperatur. Innan så har skett arbetar alltså varken motor eller katalysator under optimala arbetsförhållanden, vilket innebär att man har sämre för- bränningsförhållanden i motorn och reducerad effekt hos avgassystemets katalysatorrenare.

Det huvudsakliga avgasutsläppet för bilar med katalytisk avgasrenare sker i själva verket under den eller de allra första minuterna efter kallstarten, alltså innan motorn arbetar med lambda = l. Längden av denna inledande högemis- sionsfas torde i praktiken vara av storleksordningen 60-100 sekunder. Ett tillförande av oxiderande tillsatsluft till avgaserna speciellt under denna inledande högemissionsfas kan alltså drastiskt reducera avgasemissionen.

Efter kallstarten finns i stort sett inte längre något behov av extraluft till katalysatorn. Vid vissa transienta förlopp (fullgas/fullast) kan viss bränsleuppfetning ske, och luft kan då i begränsad omfattning tillföras avgaserna för oxida- tion. Denna effekt är dock mycket begränsad och är i stort sett försumbar i jämförelse med kallstartemissioner.

I ett sådant initialt driftskede omedelbart efter start av motorn har densamma ännu inte uppnått ett stabilt tomgångs- 468 523 3 varvtal, och bränsle/luft-blandningen är inte optimal utan "fet", d.v.s. det föreligger ett syreunderskott såväl i bränsle/luft-blandningen som tillförs cylindrarna för för- brännning, som i avgaserna som tillförs katalysatorrenaren.

Motorn arbetar härvid heller inte med det önskade lambdavär- det 1. Självfallet kan det också finnas andra skäl än det ovannämnda (kallstart) till att bränsle/luft-blandningen är alltför fet och/eller lambda avviker från idealvärdet 1.

Resultatet blir emellertid ökad halt av skadliga ämnen i bilavgaserna under dessa icke-ideala driftförhållanden. När det exempelvis gäller en 4-cylindrig, 2-liters motor kan behovet av tillsatsluft till katalysatorn vid kallstart uppskattas till cirka 120 liter/min.

Ett sätt att komma tillrätta med problemet med syreunderskott i avgaserna, som tillförs katalysatorrenaren, är att inrätta en tillförsel av extraluft i avgaskanalen uppströms katalysa- torrenaren. I exempelvis US-A-4 406 126 beskrivs ett system för sådan tillförsel av extraluft (sekundärluft) vid en med avgasdriven turbokompressor försedd förbrännningsmotor.

Härvid utnyttjas dock inte turbokompressorn, utan tillförseln av extraluft sker genom att den pulserande avgasströmmen från avgasportar, som inte är anslutna till turbokompressorns turbin, utnyttjas till att dra in extraluft till avgaskana- len. Ett sådant arrangemang är dock i praktiken inte använd- bart vid överladdade motorer på grund av avgasmottrycket.

I en överladdad motor eller turbomotor är avgasmottrycket så högt att tillsatsluften måste ha ett visst minsta övertryck för att kunna tillföras avgaserna före katalysatorn. I prak- tiken torde ett övertryck på ca 0.6 bar erfordras. Katalysa- torn når snabbt sin avsedda arbetstemperatur, speciellt om katalysatorn är försedd med elektrisk förvärmning (vilket torde komma att bli ett lagstadgat krav i framtiden), och för att kunna utnyttja den förberedda katalystorn måste inblås- ningen av den oxiderande tillsatsluften ske i motorns av- gassystem. När det gäller icke överladdade motorer (sugmoto- rer) kan luft dras in i avgasröret med hjälp av avgasström- 468 525 lO 4 ningen (jämför US-A-4 406 126). Detta låter sig dock inte göras vid turboladdade motorer (med avgasdriven kompressor) eller vid överladdade motorer i allmänhet på grund av av- gasmottrycket. Dessutom står tryckluft inte till förfogande från ett turboaggregats kompressor när motorn, vid kallstart och på tomgång, arbetar med lätt belastning vid lågt varvtal, varvid avgasflödet är otillräckligt för att driva kompres- sorn. Vid motorer försedda med mekaniskt driven kompressor (som exempelvis drivs från motorn via en drivaxel, transmis- sion eller remdrivning) står däremot fullt lufttryck till förfogande också redan när motorn går på tomgång.

Uppfinningens ändmål Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför - vid en överladdad ottomotor med mekaniskt driven luftkompressor (med inre kompression) i insugningsgrenröret - att med enkla medel tillhandahålla tryckluft, vilken kan utnyttjas såsom oxide- rande tillsatsluft, som tillförs motoravgaserna innan dessa har nått fram till katalysatorrenaren, för att ge densamma möjlighet att åstadkomma effektiv avgasrening trots den feta bränsle/luftblandningen och/eller det från l avvikande lamb- da-värdet. Uppfinningen har också till ändamål att åstadkomma en konstruktiv lösning som är enklare och fungerar bättre än kända arrangemang, exempelvis sådana med tvåstegskompressor (jämför Us-A-4 488 400).

Uppfinningens grundläggande idé är härvid att utnyttja den vid denna motortyp befintliga, mekaniskt drivna, laddluftal- strande kompressorn, som exempelvis kan vara en enstegs skruvkompressor, till att också tillhandahålla den för kata- lysatorns optimala drift önskade, särskilda tillsatsluften.

Nämnda ändamål uppnås enligt uppfinningen genom att anord- ningen uppvisar de i patentkravets l kännetecknande del angivna särdragen. Vidareutvecklingar av anordningen enligt uppfinningen framgår av de osjälvständiga kraven. 468 523 Anordningen enligt uppfinningen har alltså den stora för- delen, att den redan befintliga mekaniska överladdaren (komp- ressorn) också utnyttjas såsom tryckluftskälla för tillsats- luften som behövs för katalysatorns optimala drift vid fet bränsleblandning och/eller innan motorn kan arbeta med lambda = l. Konstruktionen enligt uppfinningen är alltså mycket kostnadseffektiv eftersom motorn inte behöver förses med någon ny, extra anordning för alstrande av den erforderliga tryckluften. Att tillsatsluften måste utgöras av luft med övertryck beror självfallet på att avgastrycket i avgasröret uppströms katalysatorrenaren också är ett övertryck som måste övervinnas av tillsatsluftens tryck, för att denna luft skall kunna inblåsas i avgassystemet uppströms katalysatorn. Vid vissa driftsfall kan extraluft (tillsatsluft) också - förutom vid startförloppet - eventuellt periodvis tillföras katalysa- torn för bortbränning av blyavlagringar (jämför DE-C-3 213 429).

Utnyttjandet av en del av det av kompressorn alstrade tryck- luftflödet för detta särskilda tillsatsluftändamål, skall dock inte tillåtas medföra någon sänkning av motorvarvtalet.

Eftersom en avledning av tryckluft via luftavtappningskanalen skulle resultera i ett något sänkt lufttryck i insugnings- grenröret (och därmed ett sänkt tomgångsvarvtal) om ingen kompenserande åtgärd samtidigt vidtogs, anger uppfinningen också inrättandet av en tomgångsreglering uppströms kompres- sorn.

I praktiken vill man säkerställa upprätthållandet av ett visst minsta övertryck i insugningsgrenröret oberoende av den avtappning av tillsatsluft för katalystorn som sker via luftavtappningskanalen. Kompressorns inre kompressiom, som âstadkommes över förträngningszonen, bör därför uppgå till minst l:l,6-1:l,8, eventuellt mer.

Den uppströms kompressorn inrättade tomgångsregleringen med en elektroniskt styrd anordning innebär företrädesvis att områdena på motsatta sidor av ett i kompressorns insugnings- grenrör anordnat luftspjäll står i inbördes förbindelse via 468 525 6 en luftspjället förbigående shuntkanal vari ingår en regler- ventil manövrerad av en motor som styrs av en styrenhet, vilken tillförs styrsignaler från olika motorparametergivare.

Den därvid aktuella styrenheten mottar företrädesvis styrsig- naler från ett antal olika motorparametergivare. I praktiken kan det härvid bli fråga om en temperaturgivare hos katalysa- torrenaren, en varvtalsgivare hos motorn, en temperaturgivare hos motorn och en lambdasond hos utblåsningsgrenröret (avgas- grenröret).

För den reglerbara luftavledningen via luftavtappningskanalen kan i luftavtappningskanalen lämpligen vara insatt en styrbar ventil för åstadkommande av den reglerbara luftavledningen via kanalen, vilken ventil är styrd av en tillhörande ställ- motor, som är ansluten till en elektrisk styrenhet. Den härtill använda motorstyrda ventilen kan vara en läges- eller PWM-styrd ventil som öppnar när relevanta motorparametrar (såsom temperatur, lambda-värde och varvtal) indikerar för- hållanden med fet bränsle/luft-blandning. Med "PWM-styrd" ventil avses en ventil med pulsbreddmodulerat öppethållande/- stängning. Tiden för en öppet-stängd-cykel är härvid kon- stant, men genom variering av öppet-tiden erhålles en omvänd variering av stängningstiden; det vill säga exempelvis längre öppet-tid ger kortare stängnings-tid vid oförändrad total cykeltid.

Den motorstyrda reglerventilen i shuntkanalen förbi luft- spjället i insugningsröret ombesörjer alltså tomgångsregle- ringen som upprätthåller ett acceptabelt motorvarvtal obe- roende av det via luftavtappningskanalen till katalysatorn avledda luftflödet. En för detta ändamål lämplig motormanöv- rerad reglerventil kan vara en AIC-ventil eller en roterande slitsventil (beträffande begreppet AIC-ventil, se förklaring nedan).

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer nu att förklaras och beskrivas ytterliga- re under hänvisning till på de bifogade ritningarna visade 468 523 7 utföringsexempel. Därvid visar fig. l ett schematiskt kopp- lings- och komponentschema för en med en anordning enligt uppfinningen försedd överladdad ottomotor; och fig. 2 visar ett liknande schema för ett alternativt utförande med viss ytterligare utrustning, bl.a. en luftmassmätare i insugnings- grenröret.

Beskrivning av utföringsexempel På ritningens båda figurer är en fyrcylindrig ottomotor allmänt betecknad 2 och en i motorns avgassystem inkopplad katalytisk avgasrenare allmänt beteoknad 4. Motorns utblås- ningssida står i förbindelse med katalysatorrenaren 4 via ett avgasgrenrör 6 och en avgaskanal 8. Katalysatorrenaren står i förbindelse med den omgivande atmosfären via ett avgasrör 10.

Förbrännningsluften till motorn 2 (som här antas vara en insprutningsmotor) tillföres motorns cylindrar 3 via ett med 12 allmänt betecknat insugningsgrenrör. I uppströmsdelen av detta insugningsgrenrör 12 ingår en från motorn 2 via en axel 14 mekaniskt driven, enstegsluftkompressor 16 som åstadkommer överladdningen av motorn. Denna kompressor är företrädesvis en skruvkompressor, men andra typer av kompressorer är också tänkbara. När kompressorn är en skruvkompressor kan dennas inre kompression vara av storleksordningen l:l,6-l,8, even- tuellt ännu högre.

Från ett i den senare delen av kompressorns 16 förträngnings- zon beläget avledningsställe 18 sträcker sig en med 20 all- mänt betecknad luftavtappningskanal till ett ställe 23 vid uppströmsänden av avgaskanalen 8. I luftavtappningskanalen 20 finns en av en ställmotor 22 styrd reglerventil 24. Ventilen 24 reglerar det luftflöde som via avtappningskanalen 20 tillföres katalysatorrenaren 4 efter att ha inblåsts vid tillförselstället 23 i avgaskanalen 8. Ställmotorn 22 styrs i sin tur medelst elektriska signaler erhållna från en elektro- nisk styrenhet 26 via en signalledning 28.

För kompenseringen av den trycksänkning i insugningsgrenröret 12 som skulle bli en följd av luftavtappningen via avtapp- 468 523 8 ningskanalen 20 (och som skulle medföra sänkt tomgångsvarv- tal) är en elektroniskt styrd anordning för tomgångsregle- ringen inrättad uppströms kompressorn 16. Denna tomgångs- reglerande kompensationsanordning omfattar ett luftspjäll 36 anordnat i en uppströms kompressorn 16 belägen inloppsdel 12' till insugningsgrenröret 12. Områdena före och efter luft- spjället 36 står i inbördes förbindelse via en shuntkanal 38 som leder förbi luftspjället 36. Luftflödet genom denna shuntkanal regleras medelst en reglerventil 40 manövrerad av en ställmotor 42 som i sin tur styrs medelst elektriska signaler erhållna från styrenheten 26 via styrledningen 43.

Den i shuntkanalen 38 ingående reglerventilen 40 är lämpligen en AIC-ventil/slitsventil som reglerar en extra lufttillför- sel till kompressorn 16 för att kompensera för det luftflöde till katalysatorn 4 som avtappas via luftavtappningskanalen . Tack vare denna genom reglerventilen 40 ökade luftin- strömning till kompressorn 16 kan önskat tomgångsvarvtal hos motorn 2 upprätthållas oberoende av det till katalysatorn avtappade tillsatsluftflödet. AIC-ventilen fyller den dubbla funktionen att dels långsiktigt kompensera för förändringar så att tomgångsjustering ej erfordras, dels kompensera för momentana tomgångsvarvtalssänkningar vid lastökning.

För den elektroniska styrenhetens 26 styrning av den läges- eller PWM-styrda ventilens 24 motor 22 och reglerventilens 40 motor 42 måste styrenheten tillföras styrsignaler signifikan- ta för de i detta sammanhang relevanta motorparametrarna. Vid det visade utförandet är dessa parametrar dels temperaturen i katalysatorrenaren 4, dels motorns 2 varvtal och temperatur, temperatur i avgasgrenröret 6. Dessa motorpa- rametrar detektera: medelst en givare 44 hos katalysatorn 4, givare 46 och 48 hos motorn 2 samt en givare 50 hos avgas- dels avgaserna: grenröret 6. Signalerna från dessa fyra givare tillföres styrenheten 26 via signalledningarna 54, 56, 58, 60.

Om man exempelvis vill kontrollera katalysatorns funktion kan tillsatsluft (extraluft) tillföras momentant, och med hjälp av en lambdasond i avgasröret 10, nedströms katalysatorn 4, 468 523 9 eller genom temperaturmätning (givaren 44) på katalysatorn, kan då konstateras hur snabbt katalysatorn reagerar.

Vid det ovan beskrivna arrangemanget vill man också i möjli- gaste mån garantera en säker startfunktion. Luftavtappnings- kanalen 20 är därför lämpligen försedd med avstängningsorgan varmed luftavtappning via avledningsstället 18 och kanalav- snittet 20' förhindras när startmotorn arbetar, d.v.s. under den s.k. startmotorvevningen. Nämnda avstängningsorgan kan lämpligen vara den motorstyrda ventilen 24 vars stängnings- funktion då styrs av styrenheten 26.

I vad gäller den tomgångsreglerande anordningen med luft- spjället 36 uppströms kompressorn 16 skall också nämnas, att det i och för sig vore möjligt att i stället placera spjället 36 efter, det vill säga nedströmns kompressorn 16. I så fall erfordras emellertid en avblåsningsventil (waste gate valve) för att "blåsa bort" den överskottstryckluft som kompressorn alstrar på grund av att strypning ju då saknas på kompres- sorns sugsida. Kompressorn kommer alltså då att utföra ett visst mått av onyttigt arbete vilket naturligtvis inte i och för sig är önskvärt, men samtidigt uppnår man snabbare re- sponse (svar) hos regleringen vilket i vissa fall kan vara önskvärt.

Hänvisning sker nu till det i fig. 2 visade, alternativa utförandet som skiljer sig från det i fig. l visade genom att viss kompletterande utrustning har tillfogats, och nedan- stående beskrivning inskränker sig i huvudsak till de nytill- komna komponenterna och detaljerna.

I det i fig. 2 visade utförandet är en luftmassmätare 70 anordnad i inloppsdelen 12' av insugningsgrenröret 12. Luft- massmätaren mäter den luftmassa som per tidsenhet insuges genom insugningsgrenrörets 12 inloppsdel l2'. Med ledning av det aktuella motorvarvtalet (som kan erhållas medelst varv- talsgivaren 46) och det medelst luftmassmätaren 70 uppmätta luftmassflödet kan den optimala öppettiden för motorns 2 bränsleinsprutningsventiler beräknas, exempelvis i styren- 468 523 heten 26. Luftmassmätaren 70 står i förbindelse med styren- heten 26 via en signalledning 90. Insprutningen av bränslet i motorns 2 cylindrar 3 sker via separata bränsleinsprutnings- munstycken 92 (endast schematiskt antydda i fig. 2) vilkas funktion styrs från styrenheten 26 via signalledningar 94.

Avtappningen av tillsatsluften (extraluften) till katalysa- torn påverkar den luftmängd som når fram till motorns cylind- rar. Den uppströms kompressorn belägna luftmassmätaren 70 mäter den totala luftmängden som tillföres kompressorn 16 och som alltså skulle kunna tillföras cylindrarna 3 och katalysa- torn 4. Den faktiska luftmängden som når cylindrarna - till vilken luftmängd bränsletillförseln skall anpassas - kan alltså erhållas genom en korrigering av luftmassmätarens signal med hänsyn till luftmängden som avtappas från kompres- sorn l6 vid avledningsstället 18.

Denna korrigering av luftmassmätarens flödessignal sker lämpligen i styrenheten 26 som då tar hänsyn till den från kompressorn avtappade luftmängden i form av en mot denna luftmängd svarande parameter, såsom exempelvis ventilens 24 öppningsgrad eller en utsignal erhållen från en särskild luftmassmätare (flödesmätare) inkopplad i kanalavsnittet 20' mellan avledningsstället 18 och ventilen 24. _ Genom tomgångregleringen och luftmassemätningen blir det möjligt att erhålla: jämnare motorvarvtal, bättre kallstart- och varmkörningsegenskaper, förhöjt tomgångsvarvtal vid inkoppling av exempelvis luftkonditioneringsanläggning, kompensation för motorvarvtalssänkning till följd av ökad belastning (exempelvis genom styrservopump och generatorladd- ning), ävensom ytterligare eftersträvade egenskaper/funktio- ner.

Vid ett nedströms reglerventilen 24 beläget ställe 72 hos luftavtappningskanalen 20 finns en avgrening 74 i form av en avtappningskanal som leder till en tryckackumulator 76 var- ifrån tryckluft i reglerad mängd kan avtappas via en ledning 80 och reglerventil 82 för att sedan via ledningen 84 ledas 'ä 468 523 11 till aktuella tryckluftdrivna eller -förbrukande tillbehör (jämför US-A-3 934 413), exempelvis uppblâsbara dörrtätning- ar, servomotorer, luftassisterad bränsleinsprutning m.m.

Tryckackumulatorn 76 är vidare försedd med en tryckgivare 78 vars utsignal tillföres styrenheten 26 via en signalledning 86, och nedströms grenstället 72 är en extra reglerventil 24' insatt i luftavtappningskanalen 20. Denna ventil 24' manövre- ras medelst en motor 22 som styrs från styrenheten 26 via en signalledning 88.

Claims (8)

-pl 0\ OD 10 15 20 25 30 35 (ra (N 12 Patentkrav

1. Anordning för luftinblåsning i ett med katalytisk avgas- renare (4) försett avgassystem till en överladdad ottomotor (2) i vars insugningsgrenrör (12) ingår en för överladdningen avsedd mekaniskt driven luftkompressor sion, 'Vi (16) med inre kompres- ë k ä n n e t e c k n a d av att en luftavtappningskanal (20) är inrättad för reglerbar avledning av luft från luft- kompressorns (16) förträngningszon och tillförsel av denna luft till katalysatorrenaren (4) såsom tillsatsluft, vilken luftavtappningskanal (20) sträcker sig från ett inom för- trängningszonen beläget avledningsställe (18) till ett upp- ströms katalysatorrenaren beläget tillförselställe (23) i avgassystemet.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att avledningsstället (18) är beläget i den senare delen av luftkompressorns (16) förträngningszon, och att kompressorns inre kompression inom förträngningszonen uppgår till åtmins- tone 1:l,6-1,8.

3. Anordning enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att luftkompressorn (16) är en enstegskompressor.

4. Anordning enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k - n a d av att en elektroniskt styrd anordning (36, 38, 40, 42) för tomgångsreglering är inrättad uppströms kompressorn (16).

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att områdena på motsatta sidor av ett i kompressorns insugnings- grenrör (12) anordnat luftspjäll (36) står i inbördes för- bindelse via en luftspjället förbigående shuntkanal (38) vari ingår en reglerventil (40) manövrerad av en motor (42) som styrs av en styrenhet (26), vilken tillförs styrsignaler från olika motorparametergivare (44, 46, 48, 50). 'J W

6. Anordning enligt något av kraven 1-5, k ä n n e t e c k - n a d av att en till reglering av den i motorn (2) inspruta- 10 15 468 523 13 de bränslemängden tjänande luftmassmätare (70) är anordnad i den uppströms luftkompressorn (16) belägna inloppsdelen (l2') av insugningsgrenröret (12), vid ett ställe beläget före tom- gångsregleringsanordningen (36, 38, 40, 42).

7. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att i luftavtappningskanalen (20) är insatt en styrbar ventil (24) för åstadkommande av den reglerbara luftavledningen via kanalen (20), vilken ventil är styrd av en tillhörande ställ- motor (22), som är ansluten till en elektrisk styrenhet (26).

8. Anordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att luftavtappníngskanalen (20) är försedd med avstängningsorgan, exempelvis en styrbar ventil (24), inrättade att förhindra luftavtappning via avledningsstället (18) och kanalen (20) under det motorstartskede (startmotorvevningen) då start- motorn arbetar.