DE2303150A1

DE2303150A1 - Auspuff-luftinjektionssystem fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2303150A1
Application number: DE2303150A
Authority: DE
Inventors: Bruce J Harvey
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1972-01-28
Filing date: 1973-01-23
Publication date: 1973-08-02
Also published as: FR2169591A5; DE2303150B2; GB1365052A; CA967764A; JPS5538494B2; IT978522B; JPS4885921A; DE2303150C3

Description

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W.er.eri'r.2,ϊ.MJi.i 7930570.793Π82

V.I./sta - 4870-A München-Pullach, den 18. Jan. 1973

THE BENDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Center, Southfield, Michigan, 48Ο75, Michigan, USA

Auspuff-Luftin jektionssystem für eine Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Luft-Injektionssystem, um in die Abgassammelleitung einer Brennkraftmaschine zusätzlich Luft zu injizieren, so daß dadurch die nicht verbrannten Abgaee oxydiert werden, und die Abgabe von unerwünschten Verunreinigungen reduziert wird.

Das Injizieren von luft in die Abgassammelleitung stellt ein sehr wirkungsvolles Mittel dar, um die Abgabe von Kohlenwasserst offverbindungen und Kohlenmonoxyden bei Brennkraftmaschinen zu reduzieren. Die injizierte Luft reagiert mit den ausgestoßenen Gasen bei den erhöhten Abgastemperaturen, und es findet eine Oxydation der nicht verbrannten Abgasstoffe statt. Die Wirksamkeit des Auspuff-Luftinjektionssystems wird dann wesentlich verbessert, wenn die richtige Luftmenge mit den Abgasen gemischt wird. Eine nicht ausreichende Luftzufuhr führt zu einer unvollkommenen Oxydation, während zu viel Luft die Abgase abkühlt, u, zw. unterhalb der Reaktionstemperatur, und der Oxydationsprozeß zunichte gemacht wird. Schwankende Verhältnisse zwischen Luft und Abgasen können ebenso zu Verschiebungen in dem Oxydationsvorgang führen, wodurch merklich der Wirkungsgrad vermindert wird. Allgemein sollte die Luft an die Abgassammelleitung mit einer Geschwindigkeit abgegeben werden, so daß der Sauerstoffgehalt der injizierten Luft geringfügig größer ist als derjenige, der für eine vollständige

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Oxydation der Abgasstoffe erforderlich ist. Dieser endgültige Oxydati.onsprozeß kann in einer normalen Abgassammelleitung vorgenommen werden oder er kann durch die Verwendung von Thermal- und/oder katalytischen Reaktoren beschleunigt werden.

Zur Zeit wird die in die Abgassammelleitung injizierte Luftmenge durch eine Verdrängerpumpe gesteuert, die ihre Luftzufuhr von einer gefilterten atmosphärischen Druckquelle erhält, die durch die Maschine angetrieben wird, wobei die Maschine einen ersten Steuerungsgrad vorgibt, welcher zur Umdrehungszahl der Maschine proportional ist.

Bei bestimmten Maschinen-Betriebsbedingungen sind jedoch die Luft- und Brennstoffabgabe an die Maschine nicht proportional zur Umdrehungszahl der Maschine, und es muß daher eine Steuerung zweiter Ordnung oder eine Hilfssteuerung vorgesehen werden, die die Steuerung der ersten Ordnung unterstützt, wobei letztere durch die Verdrängerpumpe vorgesehen wird. Diese zusätzliche Steuerung wird gewöhnlich durch Hilfseinrichtungen vorgesehen, die auf die Betriebszustände der Maschine ansprechen und die überschüssige Luft sperren oder die Luftinjektion in die Abgassammelleitung bei vorherbestimmbaren Maschinen-Betriebsbedingungen beenden.

Es sind bereits Luftinjektionssysteme für Abgassammelleitungen bekannt und diese sprechen auf den Druck im Ansaugrohr an und sind so ausgelegt, daß sie überschüssige Luft bei vorherbestimmbaren Betriebsbedingungen der Maschine sperren.

Die meisten geplanten Brennstoffabgabesysteme versorgen die Maschine mit einem Brennst off/Luftgemisch, welches ein ziemlich konstantes Brennstoff-zu-Luft-Mischungsverhältnis aufweist, um unerwünschte Abgase auf einem Minimum zu halten. Die Gesamtzusammensetzung der Auspuffabgase bleibt daher relativ konstant. Die Bezeichnung "Gesamtzusammensetzung der Auspuffabgase" wird dazu verwendet, allgemein das Verhältnis

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der trennbaren Stoffe inklusive^ den höheren Stickstoffoxyden, als auch den Kohlenwasserstoffverbindungen und Kohlendioxyden zu Luft anzuzeigen, und diese Bezeichnungsweise bezieht sich nicht auf das Verhältnis der einzelnen Nebenprodukte, die während eines Betriebszyklusses in der Maschine gebildet werden. Bei derartigen Systemen, bei denen die Gesamtzusammensetzung der Auspuffgase relativ konstant bleibt, ist die Masse oder die Luftmenge, die für eine vollständige Oxydation der nicht verbrannten Abgase erforderlich ist, proportional zur Masse der Auspuffgase. Die Masse des Auspuffgases ist proportional zur Luftmasse, die von der Maschine aufgenommen wird, und die aufgenommene Luftmenge ist proportional zum abj soluten Ansaugrohr-Druck und zur Umdrehungsgeschwindigkeit ι der Maschine. Die in die Abgassammelleitung injizierte Luftmenge ist daher proportional zur Umdrehungsgeschwindigkeit j der Maschine und zum absoluten Ansaugrohr-Druck.

■ Gemäß dem Stand der Technik gelangen Pumpen zur Anwendung, die von der Maschine angetrieben werden und eine Luftmenge abgeben, die proportional zur Umdrehungszahl der Maschine ist, wobei eine Steuerung erster Ordnung hinsichtlich der Menge der Luft, die an die Abgassammelleitung abgegeben wird, vorgenommen wird. Bei diesem bekannten System ist es jedoch erforderlich, ein Hilfs-Steuersystem zu verwenden, welches auf Signale aus dem Ansaugrohrdruckabtaster anspricht, um eine Steuerung zweiter Ordnung vorzusehen, so daß dadurch Änderungen in der Masse der Auspuffabgase aufgrund von Druckänderungen im Ansaugrohr kompensiert werden. Diese HilfsSteuersysteme sind so ausgelegt, daß sie die Luftmenge, die an die Abgassammelleitung durch die Pumpe abgegeben wird, regulieren. Durch das System nach der vorliegenden Erfindung wird die Forderung nach einer getrennten Hilfssteuerung zweiter Ordnung, um das Verhältnis zwischen Luftmasse, die in die Abgassammelleitung injiziert wird, und der Abgasmenge oder -masse, die von der Maschine ausgestoßen wird, aufrechtzuerhalten, beseitigt. Dies wird dadurch erreicht, indem man die von der Maschine angetriebene Pumpe vom Ansaugrohr her mit

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Luft versorgt, u. zw. stromabwärts vom normalerweise vorgesehenen Drosselventil. Verwendet man diese Technik, so ist die durch die Luftpumpe abgegebene und in die Abgassammelleitung injizierte Luf'tmenge direkt proportional zur Umdrehungsgeschwindigkeit der Maschine und zum Ansaugrohrdruck und ist daher proportional zu der von der Maschine aufgenommenen Luftmenge und daher ^proportional zur ausgestoßenen Abgasmenge bzw* -masse.

Eine geeignete Auslegung des Luftpumpsystems, welches durch die Maschine angetrieben wird, inklusive der Verbindungsrohrleitungen und der Antriebseinrichtung, kann die Auspuff-Luftanforderungen entsprechend einer vollständigen Oxydation der Auspuffabgase zufriedenstellen. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird auch durch die Injektionssysteme gemäß dem Stand der Technik weder vorweggenommen, noch nahegelegt, welche Systeme ihre gefilterte Luftzufuhr vom Luftansaugrohr stromaufwärts vom Drosselventil erhalten.

Die Erfindung umfaßt somit ein Luftinjektionssystem, gemäß welchem in die AbgasSammelleitung einer Brennkraftmaschine Luft injiziert wird, um die unverbrannten Auspuff-Abgase zu oxydieren, so daß dadurch die Abgabe von unerwünschten Schmutzstoffen bzw. Giftstoffen reduziert wird. Das Luftinjektionssystem nach der Erfindung soll die Luftmenge oder -masse regulieren, welche in die Abgassammelleitung injiziert wird, um eine ausreichende Luftmenge für eine vollständige Oxydation der Auspuff-Abgase zu erreichen, wobei jedoch die Masse oder Menge der injizierten Luft so begrenzt wird, daß die injizierte Luft nicht die Abgase abkühlt, u. zw. unter die Reaktionstemperatur des Luft/Auspuffabgasgemisches, wodurch der Oxydationsprozeß gebremst würde. Bei dem Steuersystem gelangt eine von der Maschine angetriebene Luftpumpe zur Anwendung, wodurch eine Steuerung erster Ordnung für die Luftmenge vorgesehen wird, die an das Abgassystem abgegeben wird, welche Menge oder Masse zur Umdrehungsgeschwindigkeit der Maschine proportional ist. Eine Steuerung zweiter Ordnung wird durch das

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Steuersystem dadurch vorgesehen, daß die Luftversorgung für die Pumpe vom Ansaugrohr der Maschine hergeleitet wird, u. zw. stromabwärts vom Drosselventil, wobei diese Steuerung proportional zur aufgenommenen Luftmenge oder -masse der Maschine ist. Verbindet man die durch den absoluten Druck im Ansaugrohr der Maschine vorgesehene Steuerung mit der Geschwindigkeit der Maschine bzw. Umdrehungszahl derselben, so besitzt das System die Fähigkeit, eine Luftmenge in die Abgassammelleitung zu injizieren, die proportional zur Menge bzw. Masse der Auspuff-Abgase ist. Die durch das System nach der Erfindung erreichten Vorteile sind wie folgt: Die in die Abgassammelleitung injizierte Menge oder Masse der Luft ist proportional zur Masse oder Menge des Auspuffes, der durch die Maschine erzeugt wird, und damit proportional zu den Auspuff-Abgasen; es werden keine Hilfssteuereinrichtungen für eine Korrektur zweiter Ordnung der injizierten Luftmenge mehr erforderlich, und das System spricht unmittelbar auf Änderungen zweiter Ordnung in den Betriebszuständen der Maschine -an, die Änderungen in der Masse oder Menge der Auspuff-Abgase, unabhängig von der Umdrehungszahl der Maschine, bewirken.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung. Es zeigt:

Pig. 1 eine schematische Darstellung der grundlegenden Elemente einer Brennkraftmaschine mit ihrem Luftansaugesystem und Abgassystem und mit dem Auspuff-Luftinjektionssystem nach der Erfindung, welches mechanisch angetrieben wird; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der grundlegenden Elemente einer Brennkraftmaschine mit ihrem Lufteinlaßsystem und Abgassystem und mit dem Auspuff-Luftinjektionssystem nach der Erfindung, welches elektrisch angetrieben ist.

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In Fig. 1 sind die wesentlichen·Elemente einer Brennkraftmaschine veranschaulicht, die für die Beschreibung einer bevorzugten Ausfiihrungsform des Auspuff-Luftinjektionssystems nach der Erfindung erforderlich sind. Die grundlegende Brennkraftmaschinenanordnung ist mit 10 bezeichnet und ein Einlaßansaugrohr mit 11, ferner eine Abgassammelleitung 12. Luft auf atmosphärischem Druck gelangt durch das Filter 13 in das Einlaßrohr 11 hinter das Drosselventil H, wo die Luft mit Brennstoff gemischt wird. Gemäß Fig. 1 wird der Brennstoff durch die Öffnung 15 an das Einlaßansaugrohr 11 abgegeben. Diese Mischung aus Brennstoff und Luft wird .von der Maschine 10 aufgenommen und wird dort für eine Explosion entzündet, wodurch dann die hin- und hergehenden Teile bei einer Kolbenmaschine oder die Drehteile bei einer Wankel- oder ähnlichen Maschine angetrieben werden. Bei einigen Systemen wird der Brennstoff direkt in die "Verbrennungskammer der Maschine abgegeben, also nicht in das Einlaß-Ansaugrohr. Einzelheiten hinsichtlich der Betriebsweise von Brennkraftmaschinen sind auf dem Gebiet gut bekannt, so daß die sich dann anschließenden energieerzeugenden Verbrennungs- und Ausstoßzyklen der Maschine nicht im einzelnen beschrieben werden brauchen.

Das teilweise verbrannte Luft/Brennstoffgemisch wird von der Maschine in die AbgasSammelleitung 12 und in die Reaktionskammer 16 ausgestoßen, in welcher die Verbrennung oder die Oxyda-■ tion d'er ausgestoßenen Gase vervollständigt wird. Die oxydierten Auspuffgase, die Rückstände des zuvor erwähnten Prozesses, werden zurück in die Atmosphäre abgegeben, nachdem sie den Auspufftopf 17 und die Verbindungs-Auapuffleitung 18 passiert haben.

Die Betriebsweise des Auspuff-Luftinjektionssystems nach der Erfindung ist wie folgt. Eine Luftpumpe 19, wie beispielsweise eine Verdrängerpumpe, wird mit einer Geschwindigkeit angetrieben, die proportional zur Umdrehungszahl der Maschine ist. Dies kann mit Hilfe von verschiedenen Antriebseinrichtungen verwirklicht werden, wie beispielsweise mit Hilfe eines

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Riemen- oder Kettenantriebs 20, der mechanisch die Pumpe 19 mit der Umdrehungsgeschwindigkeit der Kurbelwelle 21 der Maschine verbindet, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Die Durchmesser der Antriebsräder an der Maschine und an der Pumpe, das sind jeweils die Räder 22 und 23, bestimmen die Umdrehungsgeschwindigkeit der Luftpumpe relativ zur Umdrehungsgeschwindigkeit der Maschine und sie schaffen eine Steuerung erster Ordnung für die in die Abgassammelleitung injizierte Luft. Es sind auch andere Einrichtungen, mechanische, elektrische und weitere, für den Antrieb einer Luftpumpe mit einer Geschwindigkeit, die proportional zur Umdrehungszahl der Maschine ist, gut bekannt und lassen sich auch bei der Verwirklichung des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung anwenden. Fig. 2 zeigt ein äquivalentes Verfahren, bei dem die Luftpumpe 19 durch einen Elektromotor 30 über eine Verbindungswelle 31 angetrieben wird. Der Elektromotor leitet sein Maschinengeschwindigkeitssignal und seine Stromversorgung von einer elektrischen Stromversorgungsquelle 32 ab, wie beispielsweise einem Synchrongenerator, der mechanisch mit einer Geschwindigkeit angetrieben wird, die proportional zur Umdrehungszahl der Maschine 10 ist, u. zw. mit Hilfe einer geeigneten Antriebseinrichtung, wie beispielsweise einem Riementrieb 33 und Riemenscheiben 34· und 35. Die elektrische Energie wird mit Hilfe von elektrisch leitenden Drähten 36 dem Motor 30 zugeführt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die elektrische Energiequelle 32 aus einem von der Maschine angetriebenen Synchrongenerator, der Wechselstrom erzeugt, u. zw. mit einer Frequenz, die proportional zur Umdrehungszahl der Maschine ist. Der Elektromotor 30, der die Luftpumpe 1.9 treibt, kann ein Synchronmotor sein, der auf einer Drehzahl dreht, die proportional zur Frequenz der elektrischen Erregergröße ist.

Gemäß Fig. 1 empfängt die Luftpumpe 19 ihre Luftversorgung vom Einlaßansaugrohr 11 über die Einlaßöffnung 24·, die in einer Seitenwand des Ansaugrohres 11 zwischen dem Drosselventil 14- und der Brennstoffabgabeöffnung 15 gelegen ist. Die Luft strömt vom· Einlaßansaugrohr 11 durch die Öffnung 24- und durch

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den eingeschlossenen Kanal 25 zur Lufteinlaßöffnung 26 der Pumpe 19. Die Richtung der Luftströmung ist durch die Pfeile in Fig, 1 angezeigt. Fach dem Durchtritt durch die Pumpe 19 strömt die Luft durch den geschlossenen Kanal 27 zur Injektionsöffnung 28, wo sie dann in die Abgassammelleitung 12 injiziert wird, u. zw. so nahe als möglich bei den Eintrittsöffnungen der Abgase.

Die Masse oder Menge der Luft, die durch die Luftpumpe 19 gepumpt wird, ist proportional zur Umdrehungsgeschwindigkeit der Maschine 10 und zum absoluten Druck der Luft an der Pumpeneinlaßöffnung 26. Der geschlossene Kanal 25 ist so ausgelegt, daß der Druck an der Pumpeneinlaßöffnung 26 nahezu gleich ist dem absoluten Druck im Einlaßansaugrohr 11. Die durch die Maschine gepumpte Luftmenge oder -masse ist ebenso proportional zur Umdrehungszahl der Geschwindigkeit und zum absoluten Druck im Einlaßansaugrohr. Da Brennstoffabgabesysteme Brennstoff proportional zur Luftmenge abgeben, die von der Maschine angesaugt wird, so ist die G-e samt zusammensetzung der Abgase proportional zum absoluten Druck im Einlaßansaugrohr und zur Umdrehungszahl der Maschine. Daher ist auch die in die Abgassammelleitung injizierte Luftmenge proportional zur Menge der von der Maschine abgegebenen Abgase. Durch die Verwendung des Abschnitts des Einlaßansaugrohres stromabwärts vom Drosselventil als Luftquelle für die Abgassammelleitung bzw. das Luftinjektionssystem wird die erforderliche Luftinjektionssteuerung der zweiten Ordnung vorgesehen, wobei ein konstantes Verhältnis zwischen der in die Abgassammelleitung injizierten Luftmenge und der Menge oder Masse der Abgase beibehalten wird, die von der Maschine abgegeben werden. Beim Öffnen oder Schließen des Drosselventils, was anzeigt, daß der Fahrer eine Beschleunigung oder Verzögerung fordert, und durch Änderung des absoluten Druckes im Einlaßansaugrohr wird effektiv die Luftmenge oder -masse geändert, die an die Abgassammelleitung abgegeben wird, bevor noch die Maschine ausreichend Zeit findet, auf den Befehl anzusprechen, so daß dadurch die Steuerung der zweiten Ordnung eine wirkungsvolle Erhöhung oder

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Übersteuerung oder Überdeckung der maschinengetriebenen Steuerung erster Ordnung darstellt. Durch das System nach der Erfindung wird eine wirkungsvolle Steuerung der Luftmenge vorgesehen, die in die Abgassammelleitung bei nahezu allen normalen Betriebsbedingungen injiziert wird.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nicht auf den
speziellen veranschaulichten Typ einer Brennkraftmaschine mit
einem speziellen Lufteinlaß- und Abgassystem beschränkt, sondern sie läßt sich auf die verschiedensten Brennkraftmaschinentypen anwenden und ebenso deren komplementäre Lufteinlaßsysteme und Abgassysteme.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in der Zeichnung veranschaulichten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims

Patentansprüche

ί 1 J Auspuff -Luftinjektionssystem für ein Brennkraftmaschinensystem, mit einer primären Maschine, in welcher ein Brennst off-Luft ge mi sch zu einer Explosion entzündet wird, um eine mechanische Bewegung zu erzeugen, mit einem" durch Drosselventile gesteuerten Lufteinlaßansaugrohr, einem Brennstoffabgabe3y3tem, welches Brennstoff proportional zur angesaugten Luftmenge an die Maschine abgibt, mi 1?- einem Auspuffsystem, um die von der Maschine ausgestoßenen Gase in die Atmosphäre abzuleiten, wobei das Auspuff-Luftinjektionssystem folgende Einrichtungen enthält: eine Luftpumpe; Antriebseinrichtungen, die die Pumpe mit der Maschine verbinden, so daß die Luftpumpe mit einer Geschwindigkeit proportional zur Umdrehungszahl der Maschinen angetrieben wird, einen geschlossenen Einlaßkanal, der Luft vom Ansaugrohr der Maschine aus zu einer Einlaßöffnung in der Luftpumpe leitet; und einen geschlossenen Ausgangskanal, der die von der Luftpumpe ausgestoßene Luft in das Abgassystem der Maschine leitet, so daß sich die Luft mit dem nicht verbrannten Teil des von der Maschine ausgestoßenen Luft/ Brennstoffgemisches vermischt und diesen Teil oxydiert, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Einlaßkanal (25) mit einer Einlaßöffnung (24) verbunden ist, die in der Wand des Einlaßansaugrohres (11) der Maschine stromabwärts von der Drosseleinrichtung (H) vorgesehen ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftpumpe (19) aus einer Verdränger-Luftpumpe besteht, die eine Luftmenge innerhalb einer gegebenen Zeitperiode pumpen kann, welche Menge proportional zur Geschwindigkeit bzw. Umdrehungszahl der Pumpe und zum absoluten Druck der Luft an-der Einlaßöffnung (26) der Pumpe (19) ist.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtungen aus einer mechanischen Verbindung (20) zwischen der Maschine und der Luftpumpe (19)

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"bestehen, welche Verbindung die mechanische Bewegung der Maschine (10) auf die Luftpumpe (19) proportional zur Geschwindigkeit bzw. Umdrehungszahl der Maschine (10) überträgt «

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