Brennkraftmaschine mit Druckwellenlader und Lamda-Sonde

Abstract

 Bei einer mit einem Druckwellenlader (2) aufgeladenen Brennkraftmaschine wird zur Messung des Sauerstoffgehaltes im Kreislauf eine Lambda-Sonde (7) eingesetzt. Der von der Lambda-Sonde (7) ermittelte Sauerstoffgehalt erzeugt ein Messignal (9), das zur Steuerung der Drosselklappe (4) und/oder des Startventils (6) herangezogen wird. Diese Steuerung verfolgt das Ziel, die NO_X-Emissionen aus der Verbrennung zu reduzieren und allenfalls die Regenerierung eines in den Kreislauf integrierten Abgas­partikelfilter (3) zu gewährleisten. Die Lambda-Sonde (7) ist dabei in der Niederdruckabgasleitung (444) pla­ziert, was sich auf die Ansprechbarkeit und die Genauig­keit der gemessenen Daten der Sonde (7) positiv auswirkt. Damit umgeht man zusätzliche Hilfsmittel zur Korrektur von Druckschwankungen, wie sie an anderen Orten der Schaltung der Brennkraftmaschine vorkommen.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft die Schaltung einer mit einem Druckwellenlader aufgeladenen Brennkraftmaschine gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Zur Verbesserung des Abgasverhaltens von Brennkraftmaschi­nen sieht man zunehmend den Einbau von Abgaspartikel­filtern vor. Vordringliche Aufgabe dieser Filter ist es, die für die Umwelt schädigenden Russpartikeln einzu­fangen. Neueste Vorschläge gehen dahin, die Filterungs­kanäle dieser Abgaspartikelfilter katalytisch zu be­schichten, wodurch weitere Schadstoffe aus der Verbren­nung neutralisiert werden können. Es ist offensichtlich, dass die eingefangenen Russpartikeln mit der Zeit unweiger­lich den Filter verstopfen werden: Der Strömungswiderstand des Abgasstromes steigt dannzumal extrem an, was sich auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine negativ auswirkt. Massnahmen hiergegen verfolgen das Ziel, durch dauernde oder kurzzeitige Erhöhung der Filtertemperatur die Russbelegung durch Verbrennung zu beseitigen.

[0003] Damit aber diese Verbrennung auch stattfinden kann, muss sichergestellt werden, dass die Abgase während der Verbrennung der Russbelegung im Filter genügend Sauerstoff heranführen.

[0004] Grundsätzlich geht es also immer darum, einerseits zur Erhöhung der Abgastemperatur und somit der Filtertempera­tur zwecks Regenerierung des Abgaspartikelfilters Abgas in die Verbrennungsluft des Motors rezirkulieren zu lassen, und andererseits die minimal erforderliche bzw. die optimal gewünschte Sauerstoffalimentation zu gewähr­leisten.

[0005] Zur Regelung des Sauerstoffgehaltes bei der Regenerierung des Abgaspartikelfilters, und infolgedessen zur Steuerung der Drosselklappe, wird zwischen Motor und Abgaspartikel­filter als Sauerstoffsensor eine "Lambda-Sonde" eingebaut, deren Messignal einem Regelsystem der Brennkraftmaschine zugeführt wird, das in geeigneter Weise auf die Frischluft­zufuhr und/oder die Treibstoffmenge einwirkt.

[0006] Eine zur Messung des Sauerstoffgehaltes im Abgas von Brennkraftmaschinen relativ zum Sauerstoffgehalt der Luft geeignete "Lambda-Sonde" mit einer ZRO₂-Keramik ist beispielsweise aus dem Artikel von Hans-Martin Wieden­mann et al., "Heated Zirconia Oxygen Sensor for Stoichiome­tric and Lean Air-Fuel Ratios", SAE-Paper 840141, SAE-­Congres, Detroit, Febr.-März 1984, bekannt geworden.

[0007] Grundsätzlich ist zu sagen, dass der Sauerstoff-Partial­druck im Abgas sich jedoch mit dem Abgasdruck ändert. Nun ist der Druck des Abgases im Abgassystem einer Brenn­kraftmaschine keineswegs konstant, sondern hängt stark vom Grad der Verstopfung des Abgaspartikelfilters und der Motordrehzahl ab. Bei aufgeladenen Brennkraftmaschi­nen sind die Druckschwankungen im Abgassystem noch viel grösser, da sich zu den genannten Einflüssen Motordrehzahl und Verstopfungsgrad des Abgaspartikelfilters noch der jeweilige Aufladegrad addiert.

[0008] Bezüglich einer Schaltung einer aufgeladenen Brennkraft­maschine bedeutet dies, dass wenn die Lambda-Sonde im Hochdruck-Abgasstrom eingebaut ist, der dort herrschende Druck sich als unzulässige Störgrösse erweist, weil das Ausgangssignal der Lambda-Sonde druckabhängig ist: Insgesamt kann der Druck des Abgases im Abgassystem um ein Mehrfaches des Luftdruckes schwanken. Es versteht sich von selbst, dass unter solchen Bedingungen die Messung des prozentualen Sauerstoffgehaltes im Abgas mittels der bekannten, direkt in eine Wand des Abgas­systems eingeschraubten Lambda-Sonde keine brauchbaren Ergebnisse liefert. Will man hiergegen Abhilfe schaffen, so erfordert dies eine Druckkorrektur oder den Einbau der Lambda-Sonde in einem Bypass-Teilstrom des Abgassystems, die letztgenannte Abhilfe vorzugsweise vor dem Abgaspar­tikelfilter, wenn die Schaltung mit einem solchen versehen ist.

[0009] Indessen, die Druckkorrektur, welche den Einfluss des Abgasdruckes auf das Messignal der Lambda-Sonde eliminie­ren könnte, setzt die Verwendung eines Drucksensors und einer elektronischen Rechnereinheit voraus. Dies ist jedoch eine aufwendige Lösung, da der Drucksensor im Abgassystem extrem korrosionsbeständig sein muss.

[0010] Auch die andere Vorkehrung, nämlich der Einbau der Lambda-­Sonde in einem Bypass-Teilstrom im Abgassystem, erweist sich als aufwendige Lösung, sei es im schaltungsgerech­ten Einbau der Hilfsmassnahme als auch bezüglich der eingesetzten Mittel.

[0011] Die Erfindung, wie sie im Anspruch 1 gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, den direkten Einbau der Lambda-­Sonde an einem Ort der Schaltung vorzusehen, wo der zu messende Sauerstoffgehalt unmittelbar informations­echt vorliegt.

[0012] Die Vorteile der erfindungsgemässen Plazierung der Lambda­Sonde sind im wesentlichen darin zu sehen, dass im Voll­strom der Niederdruckabgase eine schnellere Ansprechzeit der Lamda-Sonde erreicht wird, weil dort mehr Menge als in einem Bypass-Teilstrom strömt. Auch kann bei Messungen im Vollstrom der Niederdruckabgase auf eine Druckkorrektur verzichtet werden, weil dort keine Druck­schwankungen vorhanden sind.

[0013] Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungs­beispiel der Erfindung erläutert. Alle für das unmittel­bare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen.

[0014] Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltung einer mit einem Druckwellenlader aufgeladenen Brennkraftmaschine mit eingebauter Lambda-Sonde,

Fig. 2 die Anordnung der Lambda-Sonde im Druckwellenlader.

[0015] Die in Figur 1 gezeigte Schaltung besteht aus einem Motor 1, einem Druckwellenlader 2, einem Abgaspartikel­filter 3. In der Luftansaugleitung 111 zum Druckwellen­lader ist eine Drosselklappe 4 plaziert, welche von einem Stellmotor 5 verstellt wird. In der Leitung für die Frischluftzufuhr 222 zum Motor 1 ist ein Startventil bzw. eine Ladeluftklappenautomatik 6 plaziert. Der Abgas­partikelfilter 3 ist in der Hochdruckabgasleitung 333 eingebaut, also zwischen Motor 1 und Druckwellenlader 2. In der Niederdruckabgasleitung 444 wirkt eine Lambda-­Sonde 7, deren Anordnung getrennt von einem möglichen Spülstrom, vorzugsweise im Oeffnungsbereich des Nieder­druckgas-Abströmkanals 26 (Fig. 2) vorgesehen ist. Die Lambda-Sonde 7 ermittelt den Sauerstoffgehalt im Abgas, nachdem dieses im Druckwellenlader 2 Aufladungsarbeit verrichtet hat. Die Messung des Sauerstoffgehaltes ge­schieht daher unter gleichbleibenden Druckverhältnissen. Im Falle einer mit einem Druckwellenlader 2 aufgeladenen Brennkraftmaschine würde der Fachmann die Sauerstoffkonzen­tration nicht im Niederdruckabgas 444 messen, weil dieses mit Spülluft vermischt ist und das gemessene λ deshalb nicht mit der wirklichen Luftüberschusszahl im Hochdruck­abgas 333 übereinstimmt. Die Lambda-Sonde 7 im Vollstrom des Niederdruckabgases 444 funktioniert demnach nur dann richtig, wenn der Spülgrad des Druckwellenladers 2 η sp ≦ 0 bzw., wenn die Abgasrezirkulation Rz > 0 ist. Nun ist im normalen Betriebsbereich eines Druckwellen­laders 2, trotz der Spülfunktion in der Niederdruckzone, der Einbau der Lambda-Sonde 7 im Vollstrom des Nieder­druckabgases 444 möglich, denn im Regelbereich der Drossel­klappe 4 ist η sp immer kleiner als Null, bzw. die Rezirku­lation immer grösser als Null. Die verblüffende Möglich­keit, in einer Schaltung einer mit einem Druckwellen­lader 2 aufgeladenen Brennkraftmaschine die Lambda-Sonde 7 im Vollstrom des Niederdruckabgases 444 plazieren zu können, setzt demgemäss also voraus, dass das Abgas nicht mit zusätzlicher Spülluft vermischt wird, d.h., dass die Sauerstoffkonzentration des Motorabgases nicht verfälscht wird. Dies ist wie gesagt, innerhalb des Regelbereichs der Drosselklappe 4, stets der Fall. Der von der Lambda-­Sonde 7 im Vollstrom des Niederdruckabgases 444 gemessene Sauerstoffgehalt, welcher beispielsweise anhand der Diffusion des Sauerstoffes durch einen Festkörperelektro­lyten zustande kommt, schafft ein Messignal 9 für die Rechnereinheit 8: Die entsprechenden Regelinformationen wirken dann auf die Drosselklappe 4 und/oder das Start­ventil 6. Weist eine Schaltung keine Filterung der Abgase auf, so wird die Lambda-Sonde 7 zur Verminderung der NO_X-Werte herangezogen. Durch die Verwendung eines schlecht wärmeleitenden Materials bei der Verbindung der Lambda-­Sonde 7 mit dem Abgassystem lässt sich mit besonderem Vorteil zusätzlich noch der Einfluss der Temperatur­schwankungen des Abgases auf das Messignal 9 der Lambda-­Sonde 7 reduzieren.

[0016] Dies ist vor allem bei Brennkraftmaschinen, die mit einem hohen Sauerstoffgehalt im Abgas gefahren werden, insbesondere bei Dieselmotoren, von ganz erheblicher Bedeutung.

[0017] In Fig. 2 ist eine vorteilhafte Einbauvariante innerhalb der gasdynamischen Druckwellenmaschinen gezeigt.

[0018] Der grundsätzliche Aufbau einer solchen Druckwellenma­schine und deren genaue Struktur kann der Druckschrift CH-T 123 143 der Anmelderin oder der CH-PS 378 595 entnommen werden. In der Figur 2 ist sie als Abwicklung eines Zylinderschnittes in halber Höhe der Zellen durch den Rotor und durch die daran anschliessenden Partien der Seitenteile des Gehäuses gezeigt. Der Einfachheit halber ist sie als Einzyklus-Maschine dargestellt, was sich dadurch ausdrückt, dass das Gasgehäuse 22 und das Luftge­häuse 23 an ihren dem Rotor 21 zugekehrten Seiten mit nur je einer Hochdruck- und einer Niederdrucköffnung versehen sind. Um die Funktion des Systems übersichtlicher zu erläutern, sind die Strömungsrichtungen der Arbeits­medien und die Drehrichtung der Druckwellenmaschine mit Pfeilen bezeichnet.

[0019] Die heissen Abgase des hier nicht gezeigten Verbrennungs­motors treten durch den Hochdruckgas-Zuströmkanal 24 in den mit axialgeraden, beidseitig offenen Zellen 25 versehenen Rotor 21 ein, expandieren darin und verlassen ihn über den Niederdruckgas-Abströmkanal 26 in den nicht gezeigten Auspuff. Auf der Luftseite wird atmosphärische Frischluft angesaugt, strömt über den Niederdruckluft-Ein­trittskanal 27 axial in den Rotor 21 ein, wird darin verdichtet und verlässt ihn als Ladeluft über den Hoch­druckluft-Austrittskanal 28 über einen nicht gezeigten Ladeluftkühler zum Motor hin.

[0020] Zum Verständnis des eigentlichen, äusserst komplexen gasdynamischen Druckwellenprozesses, welcher nicht Er­findungsgegenstand ist, wird auf die schon genannte Druckschrift CH-T 123 143 verwiesen. Der für das Verständ­nis der Erfindung notwendige Prozessablauf wird nachste­hend kurz erläutert: Das aus den Zellen 25 bestehende Zellenband ist die Abwicklung eines Zylinderschnittes des Rotors 21, welche sich bei Drehung des letzteren in Pfeilrichtung nach rechts bewegt. Die Druckwellenvor­gänge laufen im Innern des Rotors 21 ab und bewirken im wesentlichen, dass sich ein gasgefüllter Raum und ein luftgefüllter Raum bilden. Im ersteren entspannt sich das Abgas und entweicht dann in den Niederdruckgas-­Abströmkanal 26, während im zweiten ein Teil der angesaug­ten Frischluft verdichtet und in den Hochdruckluft-Aus­trittskanal 28 ausgeschoben wird. Der verbleibende Frisch­luftanteil wird durch den Rotor in den Niederdruckgas-­Abströmkanal 26 überspült und bewirkt damit den voll­ständigen Austritt der Abgase. Diese Spülung ist für den Prozessablauf wesentlich und muss unter allen Umstän­den aufrechterhalten bleiben. Es soll auf jeden Fall vermieden werden, dass Abgas im Rotor 21 verbleibt und bei einem nachfolgenden Zyklus mit der Ladeluft dem Motor zugeführt wird.

[0021] Je nach Maschinenauslegung und Betriebsbedingungen findet ein Rezirkulieren einer bestimmten Abgasmenge statt; aus Umweltschutzgründen ist dies sogar erwünscht. Dies wird dadurch erreicht, dass ein gewisser Gasanteil auf die Luftseite hinübertritt und im Bereich der Schliess­kante 29 in den Hochdruck-Austrittskanal 28 überspült wird. Dieser Sachverhalt ist in der Prinzipskizze durch die Trennfront 30 zwischen Luft und Gas dargestellt. Diese Trennfront ist nicht eine scharfe Begrenzung, sondern vielmehr eine relativ breite Mischzone. Die solchermassen mt Abgas belastete Ladeluft bewirkt er­wünschte Erhöhung der Abgastemperatur.

[0022] Wie bereits anlässlich der Beschreibung der Fig. 1 erwähnt, verfälscht der Anteil Spülluft je nach Lage der Lambda-­Sonde die Messung insofern, als ein gegenüber dem Echt-λ grösserer Wert gemessen würde. Dies wäre dann z.B. der Fall, wenn sich die Sonde im Bereich der Schliesskante 31 des Niederdruckgas-Abströmkanals 26 befinden würde. Mit Vorteil wird deshalb die Lambda-Sonde 7 im Bereich der Oeffnungskante 32 des Niederdruckgas-Abströmkanals 26 angeordnet, dort also, wo bei allen Bedingungen eine reine Abgasströmung vorherrscht.

Ansprüche

1. Schaltung einer mit einem Druckwellenlader aufgeladenen Brennkraftmaschine, im wesentlichen bestehend aus einem Motor (1), einem Druckwellenlader (2), einem Abgaspartikelfilter (3), einer Drosselklappe (4) und einem Startventil (6), dadurch gekennzeichnet, dass in der Niederdruckabgasleitung (444) eine Lambda-­Sonde (7) eingebaut ist, deren Messignal (9) über eine Rechnereinheit (8) auf die Drosselklappe (4) und/oder das Startventil (6) einwirkt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambda-Sonde (7) im Vollstrom der durch die Niederdruckabgasleitung (444) strömenden Abgase misst.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambda-Sonde (7) im Oeffnungsbereich des Niederdruckgas-Abströmkanals (26) angeordnet ist.

Zeichnung