DE3703091A1 - Steuervorrichtung fuer die rueckgefuehrte abgasmenge in einem verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für die rückgeführte Abgasmenge in einem Verbrennungsmotor.

Zur Verhinderung von Luftverschmutzung werden bei her­ kömmlichen Verbrennungsmotoren, insbesondere in Kraft­ fahrzeugen, die ausstoßbaren Schadstoffe vermindert, indem Abgas durch Rückführung in die Motorverbrennungs­ kammern erneut verbrannt wird.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer zu die­ sem Zweck entwickelten Steuervorrichtung für die rück­ geführte Abgasmenge, die in der japanischen Offenle­ gungsschrift 55-93 950 (1980) offenbart ist.

Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1, ein Lufteinlaß­ rohr 2 und ein Abgasrohr 3, die mit einem Lufteinlaß­ kanal bzw. einem Abgasauslaßkanal des Motors 1 verbun­ den sind, eine am Lufteinlaßrohr 2 angeordnete Kraft­ stoffzuführvorrichtung 4, eine Drossel 5 zum Steuern der Lufteinlaßmenge, eine Lufteinlaßleitung 6, einen Luftreiniger 7, einen Drehzahldetektor 8 zum Feststel­ len der Drehzahl des Motors 1, eine Ladedruckleitung 9, einen Motorladedruckdetektor 10 zum Ermitteln des Drucks im Lufteinlaßrohr 2 über die Ladedruckleitung 9. Eine Abgasrückführleitung 11 (nachfolgend als EGR be­ zeichnet) ist mit dem Lufteinlaßrohr 2 und dem Abgas­ rohr 3 verbunden. In die EGR-Leitung 11 ist ein EGR- Steuerventil 12 eingesetzt. Ein Detektor 13 stellt die Öffnung des EGR-Ventils 12 fest. Mit 14 ist eine EGR- Steuerung bezeichnet, mit 15 eine Außendruckleitung, und mit 16 ein Steuer-Unterdruckgenerator zum Steuern der Öffnung des EGR-Ventils 12. Der Steuer-Unterdruck­ generator 16 erzeugt Unterdruck mittels des Motorlade­ drucks in der Ladedruckleitung 9 und des Außendrucks in der Außendruckleitung 15, wobei durch das Regulieren des genannten Unterdrucks als Reaktion auf die Aus­ gangssignale der EGR-Steuerung 14 ein Steuer-Unterdruck erzeugt wird.

Die Vorrichtung mit dem genannten Aufbau führt die fol­ genden Funktionen aus. Zuerst wird über den Luftreini­ ger 7 und die Drossel 5 eingesaugte Frischluft mit von der Kraftstoffzuführvorrichtung 4 zugeführtem Kraft­ stoff gemischt, bevor das Gemisch zur Verbrennung in den Motor 1 geleitet wird. Durch die Verbrennung erzeug­ tes Abgas wird über das Abgasrohr 3 nach außen abgelei­ tet, während ein Teil des Abgases über die EGR-Leitung 11 zum Lufteinlaßrohr 2 rückgeführt, dann mit angesaug­ ter Frischluft vermischt und anschließend erneut dem Motor 1 zugeführt wird.

Durch diese Steuervorrichtung lassen sich die schädli­ chen Abgasbestandteile verringern, indem ein Teil des Abgases zur Lufteinlaßseite rückgeführt wird. Jedoch muß die EGR-Menge entsprechend dem Betriebszustand des Motors 1 gesteuert werden. Zu diesem Zweck enthält die Steuervorrichtung innerhalb der EGR-Leitung 11 das EGR- Steuerventil 12, welches in Abhängigkeit vom Betriebs­ zustand des Motors 1 geöffnet und geschlossen wird. Insbesondere ermittelt die Steuervorrichtung durch den Drehzahldetektor 8 die Drehzahl des Motors 1 und ermit­ telt gleichzeitig durch den Motorladedruckdetektor 10 den Druck innerhalb des Lufteinlaßrohrs 2. Dann über­ mittelt die Steuervorrichtung die festgestellten Werte an die EGR-Steuerung 14. Die EGR-Steuerung 14 ver­ gleicht dann den zuvor gespeicherten Wert des Öffnungs­ detektors 13 mit der als optimal angenommenen EGR-Strö­ mungsrate, die in Abhängigkeit von mehreren Betriebs­ größen des Motors 1 ermittelt und vorübergehend in einem Speicher gespeichert wurde, und erzeugt dann ein Ausgangssignal, durch das die Abweichung null wird. Nach Empfang dieses Ausgangssignals erzeugt der Unter­ druck-Steuergenerator 16 einen vorbestimmten Steuerun­ terdruck zum Betätigen des EGR-Steuerventils 12, bis eine optimale, dem Betriebszustand des Motors 1 ent­ sprechende EGR-Menge rückgeführten Abgases erreicht ist.

Dennoch wird bei jeder herkömmlichen EGR-Steuervorrich­ tung mit dem genannten Aufbau eine große Menge von Koh­ lenstoff u.ä. aus dem Abgas erzeugt, die leicht am EGR- Steuerventil 12 anhaftet. Wenn Kohlenstoff am EGR-Steu­ erventil 12 haftet, vermindert sich in der Praxis auch unter Beibehaltung der gleichen Ventilöffnung die rück­ geführte Abgasmenge im Vergleich mit dem Ausgangswert beträchtlich. Dies führt zu einer verringerten Effi­ zienz bei der Abgasreinigung, die vom Fahrer jedoch nicht leicht zu erkennen ist.

In umgekehrter Weise kann bei Abnutzung des EGR-Steuer­ ventils 12 bei gleicher Ventilöffnung eine den Ausgangs­ wert übersteigende Menge rückgeführten Abgases erzeugt werden. Auch in diesem Fall kann der Fahrer den anorma­ len Zustand nicht leicht feststellen. Wie oben beschrie­ ben, lassen sich durch ein herkömmliches EGR-Mengen- Steuersystem verursachte verschlechterte EGR-Steuer­ eigenschaften schwer erkennen, bis für den Fahrer ein anormaler Betrieb des Motors selbst spürbar wird.

Es ist die Hauptaufgabe der Erfindung, die oben ange­ führten Probleme zu überwinden, indem eine Steuervor­ richtung für die rückgeführte Abgasmenge in einem Ver­ brennungsmotor geschaffen wird, die den Fahrer bei einem anormalen Zustand in der Steuervorrichtung für die rückgeführte Abgasmenge zuverlässig warnt, wenn der Abgasrückführwert aufgrund von Verschleiß und/oder eines Verstopfens des EGR-Steuerventils vom vorbestimm­ ten optimalen Wert abweicht.

Die Steuervorrichtung für die rückgeführte Abgasmenge in einem Verbrennungsmotor weist die folgenden Teile auf: einen Sauerstoffsensor, der zwischen der Abgas­ rückführleitung und dem Motor angebracht ist, eine Vor­ richtung zum Ermitteln eines anormalen Zustandes, die ein vorbestimmtes Ausgangssignal erzeugt, wenn der Aus­ gangswert des Sauerstoffsensors den erlaubten Ausgangs­ bereich verläßt, und eine Alarmvorrichtung, die den Fahrer nach Empfang eines Ausgangssignals von der Er­ mittlungsvorrichtung auf einen anormalen Zustand der Steuervorrichtung für die rückgeführte Abgasmenge hin­ weist.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrie­ ben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer herkömmlichen Steuervorrichtung für die rückgeführte Abgasmenge;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervor­ richtung für die rückgeführte Abgasmenge;

Fig. 3(a) bzw. 3(b) Graphiken des Verhältnisses zwi­ schen der Sauerstoffkonzentration C in der einem Ver­ brennungsmotor zugeführten Frischluft und dem vom Sauer­ stoffsensor ausgegebenen Signal IP bzw. dem Abgasrück­ führanteil K;

Fig. 4 eine Graphik des Sollwertes Ko des Abgasrück­ führanteils;

Fig. 5 eine Graphik des Zulässigkeitsbereiches Δ Ko des Abgasrückführanteils; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 2 sind diejenigen Bestandteile, die auch in Fig. 1 vorhanden sind, durch gleiche Bezugszeichen ge­ kennzeichnet.

In Fig. 2 ist die Steuervorrichtung für die rückgeführ­ te Abgasmenge in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor gezeigt. Die Darstellung zeigt den Verbrennungsmotor 1, ein Lufteinlaßrohr 2 und ein Abgasrohr 3, die mit einem Lufteinlaßkanal bzw. einem Abgasauslaßkanal des Motors 1 verbunden sind, eine am Lufteinlaßrohr 2 angeordnete Kraftstoffzuführvorrichtung 4, ein Drosselventil 5 zum Steuern der Lufteinlaßmenge, eine Lufteinlaßleitung 6, einen Luftreiniger 7, einen Drehzahldetektor 8 zum Fest­ stellen der Drehzahl des Motors 1, eine Ladedrucklei­ tung 9, einen Motorladedruckdetektor 10 zum Ermitteln des Drucks im Lufteinlaßrohr 2 über die Ladedrucklei­ tung 9, eine Abgasrückführleitung 11 (nachfolgend als EGR bezeichnet), die mit dem Lufteinlaßrohr 2 und dem Abgasrohr 3 verbunden ist, ein in der EGR-Leitung 11 eingesetztes EGR-Steuerventil 12, einen Detektor 13 zum Feststellen der Öffnung des EGR-Ventils 12, eine EGR- Steuerung 14, eine Außendruckleitung 15, und einen Steuer-Unterdruckgenerator 16 zum Steuern der Öffnung des EGR-Ventils 12. Die Steuervorrichtung für die rück­ geführte Abgasmenge erzeugt Unterdruck durch Auswer­ tung des Motorladedrucks in der Ladedruckleitung 9 und des Außendrucks in der Außendruckleitung 15. Zudem er­ zeugt sie einen vorbestimmten Steuer-Unterdruck, indem sie den obigen Unterdruck als Reaktion auf die Ausgangs­ signale der EGR-Steuerung 19 reguliert.

Die oben beschriebene Anordnung gleicht der Anordnung nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 2 führt ein Kanal 17 zum Lufteinlaßrohr 2. Abgas, das vom Abgasrohr 3 über die EGR-Leitung 11 rück­ geführt worden ist, wird über den Kanal 17 der EGR-Lei­ tung 11 zum Lufteinlaßrohr 2 befördert. Ein Sauerstoff­ sensor 18 ist am Lufteinlaßrohr 2 befestigt und ermit­ telt die Sauerstoffkonzentration in der dem Motor 1 zugeführten Frischluft. Der Sauerstoffsensor 18 ist am Lufteinlaßrohr 2 zwischen dem Kanal 17 der zum Luftein­ laßrohr 2 führenden EGR-Leitung 11 und dem Motor 1 ange­ bracht. Wie z.B. der Sauerstoffsensor mit Sauerstoffpum­ pensystem mit festem Elektrolyten nach der japanischen Veröffentlichung Nr. 58-1 53 155 (1983) erzeugt der Sauer­ stoffsensor 18 ein der ermittelten Sauerstoffkonzentra­ tion entsprechendes Ausgangssignal. Zudem enthält die Steuervorrichtung für die rückgeführte Abgasmenge die EGR-Steuerung 19, die zum Repräsentieren des Antriebs­ zustandes des Motors ein dem Antriebszustand entspre­ chendes Ausgangssignal als Reaktion auf zwei Arten von Signalen erzeugt, welche den Antriebszustand des Motors angeben, d.h. auf ein die Drehzahl des Motors angeben­ des Ausgangssignal und ein weiteres, den Motorladedruck angebendes Signal, welches vom Motorladedruckdetektor 10 ausgegeben wird. Die Steuervorrichtung für die rück­ geführte Abgasmenge weist im weiteren innerhalb der EGR-Steuerung 19 eine Detektorvorrichtung 190 zum Er­ mitteln eines anormalen Zustandes auf, die anhand des vom Sauerstoffsensor 18 ausgegebenen Signals fest­ stellt, ob die rückgeführte Abgasmenge optimal ist oder nicht.

Eine Alarmvorrichtung 20 besteht aus einer Alarmanzeige­ leuchte, die durch Signale der Detektorvorrichtung 190 der EGR-Steuerung 19 betätigt wird, um den Fahrer auf einen anormalen Zustand in der Steuervorrichtung für die rückgeführte Abgasmenge hinzuweisen.

Wie der entsprechende Teil nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 ermittelt der Ventilöffnungsdetektor 13 entweder den Verschiebungsbetrag oder den Rotationswin­ kel des Ventilschaftes des EGR-Steuerventils 12.

Die Steuervorrichtung für die rückgeführte Abgasmenge führt die folgenden Funktionen aus.

Durch den Luftreiniger 7 und die Drossel 5 angesaugte Frischluft wird vermischt mit Kraftstoff von der Kraft­ stoffzuführvorrichtung 4 dem Motor 1 zur Verbrennung zugeführt. Dann wird durch die Verbrennung in den Motor­ kammern erzeugtes Abgas über das Abgasrohr 3 ausge­ stoßen, während ein Teil des Abgases über die EGR-Lei­ tung 11 zum Lufteinlaßrohr 2 rückgeführt, dann mit der angesaugten Frischluft gemischt und anschließend dem Motor 1 erneut zur Verbrennung zugeführt wird.

Bei Betrieb des Motors 1 stellen der Drehzahldetektor 8 bzw. der Motorladedruckdetektor 10 die Drehzahl NE des Motors 1 bzw. den Motorladedruck PB fest, die jeweils den Betriebszustand des Motors 1 angeben, und an­ schließend werden diese Datensignale der EGR-Steuerung 19 übermittelt. Dann wählt die EGR-Steuerung 19 gemäß Fig. 4 den EGR-Sollwert Koi, der im Speicher entspre­ chend der ermittelten Drehzahl des Motors 1 und des Motorladedrucks PB gespeichert ist, und errechnet an­ schließend die angestrebte Öffnung des EGR-Steuerven­ tils 12 anhand des EGR-Sollwertes Koi. Andererseits hat die EGR-Steuerung 19 bereits einen vom Ventilöffnungsde­ tektor 13 ermittelten Öffnungswert des EGR-Steuerven­ tils 12 empfangen, und folglich wird von der EGR-Steue­ rung 19 ein Signal erzeugt und ausgegeben, so daß die Abweichung des mittels des Ventilöffnungsdetektors 13 gemessenen Istwertes der Öffnung vom Sollwert der Öff­ nung auf null reduziert wird. Nach Empfang dieses Sig­ nals erzeugt der Steuer-Unterdruckgenerator 16 einen vorbestimmten Steuer-Unterdruck, indem er in der Lade­ druckleitung 9 und in der Außendruckleitung 15 vorhan­ denen Druck übermittelt, so daß die zu erzielende Öff­ nung des EGR-Steuerventils 12 exakt eingehalten wird.

Wie beim angeführten Stand der Technik wird bei der Erfindung eine Vorrichtung zum Regeln des EGR-Anteils durch Rückkopplung zum EGR-Sollwert verwendet.

Nachdem rückgeführtes Abgas vom Kanal 17 über die EGR- Leitung 11 durch die Öffnungs- und Schließvorgänge des EGR-Steuerventils 12 zum Lufteinlaßrohr 2 transportiert worden ist, wird es mit über das Lufteinlaßrohr 2 zu­ strömender Frischluft gemischt. Mit dem Ansteigen der rückgeführten Abgasmenge sinkt die Sauerstoffkonzentra­ tion C in der durch das Lufteinlaßrohr 2 flußabwärts des Kanals 17 angesaugten Frischluft ab, d.h. je höher der EGR-Wert ist, desto niedriger fällt die Sauerstoff­ konzentration C in der angesaugten Frischluft aus. Der Sauerstoffsensor 18 ermittelt die Sauerstoffkonzentra­ tion C in der angesaugten Frischluft und erzeugt dann ein der tatsächlich gemessenen Sauerstoffkonzentration Ci nach Fig. 3(a) exakt entsprechendes Ausgangssignal IPi, um dieses der EGR-Steuerung 19 zuzuführen.

Aufgrund der Korrekturkurve, die das Verhältnis zwi­ schen dem Sensorausgang IP und dem EGR-Wert K zeigt, der entsprechend Fig. 3(a) und (b) bestimmt und zuvor in einem Speicher gespeichert worden ist, errechnet die EGR-Steuerung 19 den während der jeweiligen Betriebszu­ stände beim Ablauf des Rückkopplungsvorgangs tatsäch­ lich gemessenen EGR-Wert Ki; zudem errechnet sie die Abweichung des tatsächlich gemessenen EGR-Istwertes Ki vom EGR-Sollwert Koi. Die EGR-Steuerung 19 wählt den gleiche Antriebsbedingungen umfassenden Zulässigkeits­ bereich Δ Koi für den EGR-Wert aus dem in ihrem Spei­ cher gespeicherten Zulässigkeitsbereich Δ Ko (gezeigt in Fig. 5) für EGR-Werte und errechnet dann den Abwei­ chungswert zwischen dem EGR-Istwert Ki und dem EGR-Soll­ wert Koi.

Wenn eine vorbestimmte Bedingung | Ki-Koi | < Δ Koi erfüllt ist, veranlaßt die EGR-Steuerung 19, daß die Detektorvorrichtung 190 ein Ausgangssignal zum Betäti­ gen der Alarmvorrichtung 20 erzeugt, welche dann einen Alarm gibt. Wenn im genaueren ein Verstopfen oder Ver­ schleißen des EGR-Steuerventils 12 bei der EGR-Steuer­ vorrichtung eine Verminderung des Durchstroms oder eine Fehlfunktion bewirken, so daß der EGR-Istwert bei glei­ cher öffnung des EGR-Steuerventils 12 vom EGR-Sollwert abweicht, erfolgt ein Alarm. Somit kann der Fahrer den anormalen Zustand der EGR-Steuervorrichtung leicht fest­ stellen, so daß eine nötige Reparatur, z.B. das Erset­ zen eines fehlerhaften EGR-Steuerventils 12, rechtzei­ tig durchgeführt werden kann.

Fig. 6 ist die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Steuervorrichtung für die rückge­ führte Abgasmenge.

Ein elektromagnetisches Proportionalventil 21, das sei­ ne Öffnung proportional zum Steuersignal variieren kann, erfüllt bei dieser Ausführungsform die Funktion des EGR-Steuerventils 12 der beschriebenen ersten Aus­ führungsform. Das EGR-Steuerventil 21 der zweiten Aus­ führungsform wird von der EGR-Steuerung 22 gesteuert. Dieses System gestattet es der EGR-Steuerung 22, die Öffnung des EGR-Steuerventils 21 anhand der Steuersig­ nale des Ventils direkt zu berechnen, und somit wird für das EGR-Steuerventil 21 kein Ventilöffnungsdetektor benötigt. Zudem läßt sich die Anzahl der der EGR-Steue­ rung 22 zu übermittelnden Signale verringern, wodurch der gesamte Aufbau der Steuervorrichtung für die rückge­ führte Abgasmenge vereinfacht wird.

Selbstverständlich ist nicht nur das genannte elektro­ magnetische Proportionalventil 21, sondern jedes belie­ bige elektromagnetische Ventil anstelle des EGR-Steuer­ ventils verwendbar.

Die erwähnten Ausführungsformen enthalten jeweils Vor­ richtungen zum Ermitteln der Drehzahl des Motors bzw. des Motorladedrucks sowie eine Vorrichtung zum Ermit­ teln des Betriebszustandes des Motors, die die entspre­ chenden Signale den EGR-Steuerungen 19 und 22 zuführen. Die Erfindung erlaubt auch eine Anordnung, bei der die rückgeführte Abgasmenge steuerbar ist, indem die Dreh­ zahl des Motors, die Drosselventilöffnung oder die Ein­ strömmenge der angesaugten Frischluft ermittelt wird.

Beschreibungsgemäß weisen die bevorzugten Ausführungs­ formen einen Sauerstoffsensor flußabwärts des Kanals der EGR-Leitung im Lufteinlaßrohr auf, und erzeugen einen Alarm, wenn das Signal des Sauerstoffsensors den Zulässigkeitsbereich beim betreffenden Betriebszustand des Motors verläßt. Somit wird der Fahrer schnell ge­ warnt, wenn in der Abgasrückführvorrichtung ein anor­ maler Zustand wie ein Verschleiß oder ein Fehler auf­ tritt.

Claims (6)

1. Steuervorrichtung für die rückgeführte Abgasmenge in einem Verbrennungsmotor, mit einer Rückführleitung (11), die einen Abgaskanal (3) und einen Lufteinlaßka­ nal (2) des Verbrennungsmotors (1) verbindet und das Abgas des Verbrennungsmotors (1) in den Lufteinlaßkanal (2) rückführt; einem Steuerventil (12, 21), das an einem mittleren Bereich der Rückführleitung (11) an­ gebracht ist und die rückgeführte Abgasmenge steuert; einem Motorzustandssensor (8, 10, 13) zum Ermitteln des Betriebszustandes des Verbrennungsmotors (1); und einer Steuerung (19, 22) zum Einstellen der Öffnung des Steu­ erventils (12, 21) durch das Errechnen einer optimalen Rückführmenge des Abgases aufgrund des Ermittlungssig­ nals des Motorzustandssensors (8, 10, 13);
gekennzeichnet durch
einen Sauerstoffsensor (18) zum Ermitteln der Sauer­ stoffkonzentration innerhalb des Lufteinlaßkanals (2) flußabwärts von der Verbindung der Rückführleitung (11) mit dem Lufteinlaßkanal;
eine Detektorvorrichtung (190) zum Ermitteln eines anor­ malen Zustandes, die einen anormalen Zustand feststellt, wenn der Unterschied zwischen der aufgrund des empfange­ nen Signals des Sauerstoffsensors (18) errechneten Ab­ gasrückführmenge und der aufgrund des empfangenen Sig­ nals des Motorzustandssensors (8, 10, 13) errechneten Abgasrückführmenge einen vorbestimmten Wert überschrei­ tet; und
eine Alarmvorrichtung (20), die Alarm erzeugt, wenn die Detektorvorrichtung (190) einen anormalen Zustand ermit­ telt.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Motorzustandssensor (8, 10, 13) die Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) ermittelt.

3. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorzustandssensor (8, 10, 13) den Unterdruck im Lufteinlaßkanal (2) ermit­ telt.

4. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorzustandssensor (8, 10, 13) die Öffnung des Drosselventils (5) des Verbren­ nungsmotors (1) ermittelt.

5. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorzustandssensor (8, 10, 13) die in den Lufteinlaßkanal (2) strömende Luft­ menge ermittelt.

6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil ein elek­ tromagnetisches Proportionalventil (21) ist.