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DE4328085A1 - Rückführungsystem für Abgase - Google Patents

Rückführungsystem für Abgase

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DE4328085A1
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DE
Germany
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egr
engine
control valve
exhaust
exhaust gas
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DE4328085A
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English (en)
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Koji Morikawa
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Subaru Corp
Original Assignee
Fuji Jukogyo KK
Fuji Heavy Industries Ltd
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Publication date
Application filed by Fuji Jukogyo KK, Fuji Heavy Industries Ltd filed Critical Fuji Jukogyo KK
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zurückführen von Abgas und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen Motor, der einen relativ hohen Rückführungsanteil an Abgas benötigt.
Bekanntermaßen sind sehr viele Motoren in den letzten Jahren mit einer Abgasrückführung (nachstehend als "AGR" - Abgasrückführung bezeichnet) ausgerüstet worden. Das AGR- System ist eines der Emissionssteuerungssysteme, bei dem die NOx-Emission durch das Rückführen eines Teils des Abgases in ein Einlaßsystem und durch eine Verringerung der Ver­ brennungstemperatur reduziert wird.
Üblicherweise ist bei dem herkömmlichen AGR-System ein Entnahmeanschluß für das Abgas in der Nähe eines Motorauslaß­ anschlusses angeordnet, und das Abgas wird an ein Motorein­ laßsystem über ein Steuerventil zurückgeführt.
Andererseits wird in der JP-A-1988-78256 vorgeschlagen, daß in einem AGR-System, bei dem mehrere Auspuffkrümmer vorhanden sind und dementsprechend ein Katalysator für jeden Auspuffkrümmer angeordnet ist, der Entnahmeanschluß für das Abgas am ausgangsseitigen Abschnitt des Katalysators angeordnet ist.
Bei einem konventionellen Motor, bei dem eine Luft/Kraft­ stoff-Verhältnisregelung nahe am theoretischen Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis durchgeführt wird, besitzt ein AGR-Anteil (ein Anteil des Abgases gegenüber der Einlaßluft) einen oberen Grenzwert in der Nähe von höchstens 20% aufgrund eines Problems der Verbrennungsstabilität, obwohl es im allgemeinen nicht erforderlich ist, eine so große Abgasmenge zurück­ zuführen.
In einem Zweitaktmotor, und insbesondere in einem Zweitaktmotor mit einem Hochdruck-Direkteinspritzsystem (das Kraftstoff mit hohem Druck in den Zylinder einspritzt) oder in einem Viertaktmotor mit Magergemischverbrennung ist jedoch ein heutiger 3-Wege-Katalysator, der CO, HC und NOx gleichzeitig am Punkt des theoretischen Luft/Kraftstoff- Verhältnisses reduziert, nicht effektiv. Demzufolge ist ein AGR-System unbedingt erforderlich, um die NOx-Emission zu reduzieren. In diesem Falle ist ein sehr hoher AGR-Anteil von beispielsweise 40% bis 50% AGR-Rückführung erforderlich. Es wird nämlich ein hoher Anteil an Rückführungsgas zum Reduzieren der NOx-Emission benötigt.
Außerdem geht die Verbrennungstemperatur umso mehr nach unten, wodurch die Bildung von NOx unterdrückt wird, je niedriger die Temperatur des zurückgeführten Abgases ist.
Da ferner ein Zweitaktmotor mit einem Hochdruck-Direkt­ einspritzsystem oder ein Viertaktmotor mit Magergemischver­ brennung eine relativ hohe Sauerstoffkonzentration im Abgas aufweisen, ist es notwendig, das Abgas mehr als nur einige Male als wie im Falle eines herkömmlichen Motors zirkulieren zu lassen, wofür das herkömmliche AGR-System folglich keine ausreichende Durchflußkapazität für das zurückgeführte Abgas besitzt.
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein AGR-System zu schaffen, das eine große Menge an Rückführungsgas in einen Motor mit einem großen Bedarf an AGR-Gas einführen kann, wodurch es in der Lage ist, dessen NOx-Emission wesentlich zu reduzieren.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein AGR-System zu schaffen, das die NOx-Emission noch effektiver durch das Rückführen einer großen Menge von Rückführungsgas mit niedriger Temperatur in das Einlaßsystem reduzieren kann.
Erfindungsgemäß wird ein AGR-System für einen Verbrennungsmotor, wie z. B. für einen Zweitaktmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung oder einen Viertaktmotor mit Magergemischverbrennung bereitgestellt, bei denen ein 3-Wege- Katalysator hinsichtlich der NOx-Reduzierung nicht effektiv ist.
Ein Merkmal des Systems ist durch das Verfahren gekennzeichnet, einen Entnahmeanschluß für das Rückführungs­ gas am ausgangsseitigen Ende eines Katalysators und am eingangsseitigen Ende eines Schalldämpfers anzuordnen, um auf diese Weise ein Abgas mit niedriger Temperatur einzuspeisen.
Ein weiteres Merkmal des Systems ist durch die Vorrichtung eines Steuerventils für das Rückführungsgas gekennzeichnet, das im Zusammenführungsbereich der Einlaßluft und des Rückführungsgases angeordnet ist, um den Anteil des Rückführungsgases proportional zur Öffnungsfläche des Rückführungsgas-Steuerventils zu steuern.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die das Motorsteuersystem zeigt;
Fig. 2 ist eine Schaltbildansicht des elektronischen Steuersystems;
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das die AGR-Steuerroutine darstellt; und
Fig. 4 ist ein schematische Ansicht des Kennfeldes zur Bestimmung des Öffnungswinkels des Rückführungsgas-Steuer­ ventils.
In Fig. 1 kennzeichnet das Bezugszeichen 1 einen Motor. In diesem Beispiel stellt der Motor einen Zweitakt- Vierzylindermotor dar. Ein Zylinderkopf 2, ein Zylinderblock 3 und ein Kolben 4 bilden eine Verbrennungskammer 5, in der eine Zündkerze 6 und eine Kraftstoffeinspritzdüse 7 angeord­ net sind. Die Zündkerze 6 ist mit der Sekundärseite einer Zündspule 8 und eine Zündeinrichtung 9 ist mit der Primärseite der Zündspule 8 verbunden.
Ferner sind ein Spülschlitz 3a und ein Auslaßanschluß 3b im Zylinderblock 3 angeordnet, und in einem Kühlmittelkanal 3c des Zylinderblock 3 ist ein Kühlmittel-Temperatursensor angebracht. Ebenso ist ein Luftzuführungsrohr 11 (das einem Luftansaugrohr eines Vierzylindermotors entspricht) mit dem vorstehenden Spülschlitz 3a verbunden. Längs des Luftzu­ führungsrohres sind in Strömungsrichtung in dieser Reihenfolge ein Luftfilter 12, ein Luftströmungssensor 13 (in diesem Falle ein Hitzdraht-Luftströmungssensor), ein Rückschlagventil 14 und eine Spülpumpe 15 angeordnet, die von einer Kurbelwelle 1a angetrieben wird. Die Spülpumpe 15 dient zur Vorverdichtung einer Einlaßluft und zum intensiven Spülen der Verbrennungskammer.
In einem Nebenschluß 16, der an der vorstehenden Pumpe 25 vorbeiführt, ist ein betriebsmäßig mit dem Beschleunigungs­ pedal verbundenes Nebenschlußsteuerventil 18 angeordnet. Ein Beschleunigungspedal-Öffnungssensor 19 ist mit dem Beschleunigungspedal verbunden. In dem vorstehend erwähnten Auslaßanschluß 3b ist ein Auslaßdrehventil 20 angebracht, welches mechanisch mit der Kurbelwelle verbunden ist. Ein Abgasrohr 21 ist über dieses Drehventil 20 mit dem Auslaßanschluß 3b verbunden. In das Abgasrohr 21 sind ein Katalysator 22 für die Behandlung von CO und HC und ein Schalldämpfer 23 eingebaut. Eine AGR-Rückführleitung 24 erstreckt sich von einem Abschnitt zwischen dem Katalysator 22 und dem Schalldämpfer 23 aus. In diesem Beispiel besteht der Katalysator aus einem Metallkatalysator.
Die AGR-Rückführleitung 24 ist an ein AGR-Steuerventil 25 geführt, das am ausgangsseitigen Ende des Rückschlagventils 14 im Luftzuführrohr 11 eingebaut ist. Das AGR-Steuerventil 15 dient dazu, einen Rückfluß des Abgases zusammen mit der Zuluft zu verhindern. Die vorstehend erwähnte AGR- Rückführleitung 24 besitzt genügend Querschnitt, um einen ausreichenden Gasfluß zu gewährleisten.
Das AGR-Steuerventil 25 besteht aus einem plattenförmigen Ventilschieber 25a und einem Proportional-Magnetantrieb 25b zur Verstellung der Öffnung des Ventilschiebers 25a. Der Ventilschieber 25a wird permanent durch die Kraft einer Feder 25c in Schließrichtung gedrückt. Der vorstehende Proportional-Magnetantrieb 25b wird durch den elektrischen Strom von einer ECU 40, die später beschrieben werden wird, betrieben. Die Lage des Ventilschiebers 25b ändert sich dem elektrischen Strom entsprechend.
Andererseits bezeichnet ein Bezugszeichen 30 einen Kraftstofftank, von dem aus ein Kraftstoffilter 31, eine Kraftstoffpumpe 32 und eine Kraftstoffversorgungsleitung 33 in dieser Reihenfolge angeordnet sind und die Kraftstoff­ versorgungsleitung 33 mit einer Kraftstoffeinspritzdüse 7 für jeden Zylinder verbunden ist. Der Kraftstoffversorgungsdruck wird durch einen Kraftstoffdruckregler 34 geregelt, der in der Kraftstoffversorgungsleitung 33 angeordnet ist. An der Einlaßseite des vorstehenden Kraftstoffdruckreglers 34 befindet sich ein Kraftstoffdrucksensor 35. Wenn ein von dem Kraftstoffdrucksensor 35 detektiertes Kraftstoffdrucksignal in die ECU 40 eingegeben wird, wird ein von dieser ECU 40 ausgegebener Treiberstrom an den vorstehenden Kraftstoff­ druckregler zurückgekoppelt, und auf diese Weise wird ein Kraftstoffrücklauf durch die Veränderung der Ventilöffnung des Kraftstoffreglers 34 gesteuert. Demzufolge wird der Kraftstoffdruck auf einen gewünschten Druck geregelt.
Des weiteren ist ein Kurbelwellenrotor 36 koaxial mit der Kurbelwelle 1a verbunden. Am äußeren Umfang des Kurbel­ wellenrotors 36 ist ein Kurbelwellen-Winkelsensor 37, der aus einem magnetischen oder anderen Aufnehmer besteht, angebracht.
Die vorstehend beschriebenen Sensoren und Steller werden wie in Fig. 2 dargestellt, durch die ECU 40 gesteuert. Die ECU 40 besteht aus einer CPU 41, einem ROM 42, einem RAM 43, einem Sicherungs-RAM 43a, einer I/O-Schnittstelle 44, einer Busleitung 45, einem Regler 46 für die Lieferung einer stabilen spezifizierten elektrischen Energieversorgung für die verschiedenen elektronischen Elemente, und einem Treiber 47 zum Ansteuern der Einspritzdüse 7, des Kraftstoffreglers 34 und eines Proportional-Magnetantriebs 25b.
Der vorstehende Regler 46 ist über einen Relaiskontakt eines Zündrelais 48 mit einer Batterie 49 verbunden und ist zur selben Zeit direkt mit einer Batterie verbunden. Wenn ein Zündschalter 50, der die Relaisspule des Zündrelais 48 mit der Batterie 49 verbindet, eingeschaltet und damit auch ein Relaiskontakt des Zündrelais 48 geschlossen wird, dann wird die elektrische Energie an die Einrichtungen geliefert. Es wird jedoch sogar dann, wenn der Zündschalter abgeschaltet wird, weiter elektrische Energie an das Sicherungs-RAM 43a geliefert. Ferner ist die Batterie 49 mit einer Relaisspule des Kraftstoffpumpenrelais 51 und mit der Kraftstoffpumpe 32 über einen Kontakt des Kraftstoffpumpenrelais 51 verbunden.
Ein Eingangsport der I/O-Schnitstelle 44 ist mit einem Luftströmungssensor 13, einem Beschleunigungspedal-Öffnungs­ sensor 19, einem Kühlmittelsensor 10, einem Kraftstoff­ drucksensor 35 und einem Kurbelwellen-Winkelsensor 37 verbunden. Ebenso ist dieser Port mit der Batterie 49 verbunden, um die Batteriespannung zu überwachen.
Andererseits ist ein Ausgangsport der vorstehenden I/O- Schnittstelle 44 mit einer Zündeinrichtung 9 verbunden und ferner über einen Treiber 47 mit einer Kraftstoff­ einspritzdüse 7, einem Kraftstoffdruckregler 34, einer Relaisspule eines Kraftstoffpumpenrelais 51 und einem Proportional-Magnetantrieb 25b eines AGR-Steuerventils 25 verbunden.
Das vorstehend erwähnte ROM 42 speichert ein Steuer­ programm und verschiedene feste Steuerdaten, und das RAM 43 speichert die basierend auf den Signalen der vorstehenden Sensoren und Schalter bearbeiteten Daten und die von der obigen CPU 41 verarbeiteten Daten. An das oben erwähnte Sicherungs-RAM 43a wird permanent elektrische Energie geliefert, um auf diese Weise Daten, wie Fehlerkodes für eine Selbstdiagnose auch nach dem Abschalten eines Zündschalters zu speichern. In der vorstehenden CPU 41 werden die Kraftstoffeinspritzmenge und der Zündzeitpunkt dem im ROM 42 gespeicherten Steuerprogramm entsprechend bestimmt, und dann, wenn sich ein Motor in einem Zustand befindet, daß er eine AGR (Abgasrückführung) benötigt, wird ein Wert für einen elektrischen Ausgangsstrom an den Magnetantrieb 25b des AGR- Steuerventils 25 bestimmt. Dem vorstehend erwähnten Strom entsprechend wird eine Öffnungsfläche des AGR-Steuerventils 25, nämlich ein AGR-Anteil bestimmt.
Als nächstes wird ein Betrieb des AGR-Steuerungsventils durch die vorstehende ECU 40 anhand eines Flußdiagramms in Fig. 3 beschrieben. Fig. 3 stellt eine AGR-Steuerroutine dar, die in spezifizierten Zeitintervallen ausgeführt wird.
Als erstes werden in einem Schritt S101 eine Beschleuni­ gungspedalöffnung THV in dem Beschleunigungspedal-Öffnungs­ sensor 19, eine Motordrehzahl N auf der Basis eines Signals vom Kurbelwellen-Winkelsensor 37, und eine Kühlmittel­ temperatur TW von dem Kühlmitteltemperatursensor 10 gelesen. Dann geht der Prozeß in einen Schritt S102 über, in dem beurteilt wird, ob eine Beschleunigungspedalöffnung THV und eine Kühlmitteltemperatur TW jeweils eine spezifische Bedingung erfüllen oder nicht erfüllen, um zu sehen, ob sich ein Motor in einem Zustand befindet, in dem er AGR benötigt oder nicht benötigt. Ferner wird im Schritt S102, wenn entschieden wird, daß sich ein Motor nicht in dem Zustand befindet, daß er AGR benötigt, der Prozeß von Schritt S102 auf Schritt S103 übergeleitet, bei dem ein Wert eines elektrischen Stroms (hierin als "CRT" bezeichnet) auf 0 (CRT = 0) gesetzt wird und der Prozeß zu einem Schritt S106 weiterschreitet. Im Schritt S106 wird der CRT-Wert, der im Schritt S103 festgelegt wurde, auf das von dem I/O-Port 44 an den Treiber 47 auszugebende Signal umgesetzt, und die Routine kehrt zur Hauptroutine zurück. Das heißt, in dem Falle, bei dem ein Motor nicht in dem Zustand ist, daß er eine AGR benötigt, wird der Proportional-Magnetantrieb 25b vom Strom abge­ schaltet, wodurch eine AGR-Rückführleitung 24 durch den Ventilschieber 25 geschlossen wird.
Wenn andererseits im Schritt S102 entschieden wird, daß sich ein Motor in dem Zustand befindet, daß er AGR benötigt, geht der Prozeß von Schritt S102 auf einen Schritt S104 über, bei dem ein AGR-Sollwert RAGRO (%) unter Bezugnahme auf ein in dem ROM 42 gespeichertes Sollwertkennfeld mit einer interpolativen Berechnung auf der Basis einer Beschleuni­ gungspedalöffnung THV und einer Motordrehzahl N bestimmt wird. In dem vorstehenden AGR-Anteil-Sollwertkennfeld sind experimentell ermittelte optimale Werte für den AGR-Anteil wie in Fig. 4 dargestellt als Sollwerte gespeichert. In dieser Ausführungsform wird eine Beschleunigungspedalöffnung THV als Parameter zur Anzeige einer Motorbelastung einge­ setzt, es ist jedoch eine Einschränkung auf den THV -Wert nicht notwendig. Beispielsweise könnte auch die Einlaß­ luftmenge Q alternativ benutzt werden.
Im nächsten Schritt S105 wird ein an den Proportional- Magnetantrieb 25b anzulegender Strom CRT auf der Basis eines im Schritt S104 festgelegten AGR-Anteils RAGRO bestimmt. Da der CRT-Wert einer Öffnung des Ventilschiebers 25a entspricht und dessen Öffnung proportional zu einem AGR-Anteil ist, wird eine Beziehung zwischen RAGRO und dem CRT-Wert durch eine lineare Funktion ausgedrückt, wie es in Schritt S105 dargestellt ist. Deshalb kann der CRT-Wert entweder durch Bezugnahme auf ein Kennfeld oder über Berechnung mit einer Formel erhalten werden.
Dann geht der Prozeß vom Schritt S105 auf einen Schritt S106 über, bei dem der vorstehend bestimmte CRT-Wert so gesetzt wird, wie er vom I/O-Port 44 an dem Treiber 47 auszugeben ist, und die Routine kehrt zur Hauptroutine zurück. Wenn der elektrische Strom CRT an den Proportional- Magnetantrieb 25b des AGR-Steuerventils 25 angelegt wird, wird der Ventilschieber 25a gegen die Kraft der Feder 25c in eine Position bewegt, die dem elektrischen Strom CRT entspricht, wodurch die AGR-Ventilöffnung so eingestellt wird, daß die AGR-Menge einem AGR-Sollwertanteil RAGRO entspricht.
Da die AGR-Rückführleitung einen genügenden Leitungs­ querschnitt aufweist, um eine ausreichende Menge des AGR- Gases zu halten, und ein Entnahmeanschluß für das AGR-Gas vor dem Schalldämpfer 23 und hinter dem Auslaßrohr 21 angeordnet ist, wird es möglich, eine große Menge kalten Rück­ führungsgases (mit hoher Dichte) an einen Motor zu liefern. Es besteht noch ein weiterer Vorteil darin, daß gegenläufige Effekte des Rückdrucks auf den Gasaustausch in einem Zylinder minimiert werden können. Es ist ferner möglich, daß die NOx- Emission effizienter als in einem konventionellen AGR-System reduziert wird, indem die Zylindergastemperatur mittels der vorliegenden Erfindung vor der Verbrennung sowohl in einem Viertakt-Magergemisch-Motor als auch in einem Zweitaktmotor, wie er in diesem Beispiel gezeigt ist, gesenkt wird.
Das EGR-Steuerventil 25 in dieser Ausführungsform besteht aus einem Ventilschieber 25a und einem Magnetantrieb 25b, es können jedoch auch andere Ausführungen mit einem Schrittmotor oder einem ähnlichen Teil anstelle des Magnetantriebs 25a in Betracht gezogen werden.
Zusammengefaßt schafft die vorliegende Erfindung ein AGR-Steuerungssystem, das dadurch gekennzeichnet ist, daß:
ein Entnahmeanschluß für das AGR-Gas vor dem Schalldämpfer und hinter dem Auslaßrohr angeordnet ist und
ein AGR-Steuerventil, durch das der Anteil des Rückführungsgases gesteuert wird, an der Zusammenführung des Rückführungsgases und der Einlaßluft eingebaut ist, wodurch es möglich wird, eine große Menge Rückführungsgas an einen Motor zu liefern. Wenn das erfindungsgemäße AGR-System bei einem Zweitaktmotor oder bei einem Viertakt-Magergemisch- Motor eingesetzt wird, wird ein hervorragender Effekt in der Reduzierung der NOx-Emission oder des Kraftstoffverbrauchs erzielt.

Claims (8)

1. Abgasrückführungsvorrichtung (AGR) mit einem AGR- Steuerventil zum Reduzieren der NOx-Emission in einem Verbrennungsmotor durch Rückführen eines Teils der Abgase in eine Einlaßluftleitung über eine AGR-Rückführleitung, gekenn­ zeichnet durch:
einen Entnahmeanschluß für Abgase, der an einem Abschnitt einer Abgasleitung hinter einem Katalysator und vor einem Schalldämpfer angeordnet ist; und
ein elektrisch betriebenes AGR-Steuerventil, das an einem Zusammenführungsabschnitt der Einlaßluftleitung und der AGR- Rückführleitung angeordnet ist, um auf diese Weise den Anteil des zurückgeführten Abgases in Abhängigkeit von einer Öffnungsfläche des AGR-Steuerventils zu steuern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Öffnungsfläche des AGR-Steuerventils durch einen von einer Motorsteuer­ einheit (ECU) auf der Basis von Motorbetriebszuständen erzeugten Strom gesteuert wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Ventilschieber zum Verändern der Öffnungsfläche des AGR- Steuerventils und ein Proportional-Magnetantrieb zum Betätigen des Ventilschiebers in dem AGR-Steuerventil eingebaut sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Verbrennungsmotor ein Zweitaktmotor ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Verbrennungsmotor ein Viertaktmotor ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der elektrische Strom durch Bezugnahme auf ein Kennfeld, das eine Motordrehzahl, eine Kühlmitteltemperatur und eine Drosselklappenöffnung parametrisiert, erzeugt wird.
7. Verfahren zum Verbinden eines Abgasrohres und einer Einlaßluftleitung über eine AGR-Rückführleitung, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Anordnen eines Entnahmeanschlusses für Abgase, an einem Abschnitt der Abgasleitung hinter einem Katalysator und vor einem Schalldämpfer; und
Anordnen eines Einlaßanschlusses für Abgase in die Ein­ laßluftleitung an einem Abschnitt der Einlaßluftleitung hinter einem Luftfilter und vor einem Nebenschlußsteuerventil eines Zweitaktmotors oder vor einem Drosselklappenventil eines Viertaktmotors.
8. Verfahren zur Steuerung der in eine Einlaßluftleitung zurückgeführten Abgasmengen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Erfassen einer Kühlmitteltemperatur, einer Motordrehzahl und einer Drosselklappenöffnung;
Ermitteln eines AGR-Sollwertanteils durch Bezugnahme auf ein vorgegebenes Kennfeld; und
Bestimmen eines Wertes eines an einen Proportional- Magnetantrieb eines AGR-Steuerventils angelegten elektrischen Stroms.
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