SE468524B - Anordning foer luftinblaasning i ett med en katalytisk avgasrenare foersett avgassystem till en oeverladdad ottomotor - Google Patents

Description

468 524 2 '30 motorn regleras så, att exakt stökiometrisk blandning er- hålles.

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.

I ett sådant initialt driftskede omedelbart efter start av motorn har densamma ännu inte uppnått ett stabilt tomgångs- 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- bränning, som i avgaserna som tillförs katalysatorrenaren.

Motorn arbetar härvid heller inte med det önskade lambda- värdet 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. _ ao 468 524 3 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 förbränningsmotor. 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 avagasmottrycket.

Uppfinningens ändamål Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför - vid en överladdad ottomotor med mekaniskt driven luftkompressor i insugningsgrenröret - att med enkla medel tillhandahålla tryckluft, vilken kan utnyttjas såsom oxiderande tillsats- luft, som tillförs motoravgaserna innan dessa har nått fram till katalysatorrenaren, för att ge densamma möjlighet att åstadkomma effektiv avgasrening trots den feta bränsle/luft- blandningen och/eller det från 1 avvikande lambda-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, laddluft- alstrande kompressorn till att också tillhandahålla den för katalysatorns optimala drift önskade, särskilda tillsatsluf- ten. Utnyttjandet av en del av det av kompressorn alstrade tryckluftflödet för detta särskilda tillsatsluftändamål, 468 524 4 skall dock inte tillåtas medföra någon sänkning av motorvarv- talet.

Nämnda ändamål uppnås enligt uppfinningen genom att anord- ningen uppvisar de i patentkravets 1 kännetecknande del angivna särdragen.

Anordningen enligt uppfinningen har alltså den stora förde- len, 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 = 1. Konstruktionen enligt uppfinningen är alltså mycket kostnadseffektiv eftersom motorn inte behöver förses med någon ny, extra anordning för alstrande av den erforder- liga tryckluften. Att tillsatsluften måste utgöras av luft med övertryck beror självfallet på att avgastrycket i avgas- röret 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 katalysatorn för bortbränning av blyavlagringar (jämför DE-C-3 213 429).

Eftersom en avledning av tryckluft via luftavtappningskanalen skulle resultera i ett något sänkt lufttryck i insugnings- grenröret (och därmed ett sänkt tomgângsvarvtal) 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 katalysatorn som sker via luftavtappningskanalen. För upprätthållande av ett sådant önskat övertryck, exempelvis minst 0,6 bar, i insugningsgren- röret i området av avledningsstället direkt efter kompres- 468 524 sorn, är en extra trottelventil lämpligen insatt i insug- ningsgrenröret omedelbart nedströms avledningsstället.

-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 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 styr- signaler från ett antal olika motorparametergivare. I prak- tiken kan det härvid bli fråga om en temperaturgivare hos katalysatorrenaren, en varvtalsgivare hos motorn, en tempera- turgivare hos motorn, en lambdasond hos utblåsningsgrenröret (avgasgrenröret) och en tryckgivare i insugningsgrenröret mellan kompressorns utloppssida och den extra trottelventilen i insugningsröret. 5 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 här- till 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 öppethållan- de/stängning. Tiden för en öppet-stängd-cykel är härvid konstant, 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 453 524 6 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 f! Uppfinningen kommer nu att förklaras och beskrivas ytterliga- re under hänvisning till på de bifogade ritningarna visade utföringsexempel. Därvid visar fig. 1 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.

Beskrivning av utföringsexempel På ritningens båda figurer är en fyrcylindrig ottomotor allmänt betecknad 2 och en i motorns avgassystem inkopplad katalytisk avgasrenare allmänt betecknad 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.

Förbränningsluften till motorn 2 (som här antas vara en insprutningsmotor) tillföres motorns cylindrar via ett med 12 allmänt betecknat insugningsgrenrör. I uppströmsdelen av detta insugningsgrenrör 12 ingår en från motorn 2 via en axel 14 mekaniskt driven luftkompressor 16 som åstadkommer över- laddningen av motorn. Denna kompressor är företrädesvis en skruvkompressor, men andra typer av kompressorer är också tänkbara, t.ex. Roots blåsmaskinkompressor som dock arbetar utan inre kompression, det vill säga mot fulltryck. När U? kompressorn är en skruvkompressor kan dennas inre kompression vara av storleksordningen 1:1,6-1,8, eventuellt ännu högre. a Från ett nedströms kompressorn 16 beläget avledningsställe 18 i insugningsgrenrörsväggen sträcker sig en med 20 allmänt betecknad luftavtappningskanal till ett ställe 23 vid upp- strömsänden av avgaskanalen 8. I luftavtappningskanalen 20 _' ào 468 524- 7 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 att ett önskat övertryck, låt oss säga minst 0,6 bar, skall kunna upprätthållas i insugningsgrenröret 12 är en extra trottelventil 30 monterad i insugningsgrenröret ome- delbart nedströms avledningsstället 18. Trottelventilen 30 manövreras av en ställmotor 32 som i sin tur styrs medelst elektriska signaler som erhålles från styrenheten 26 via signalledningen 34. Den extra trottelventilen 30 styrs så medelst styrenheten 26 att det bestämda minsta övertrycket, exempelvis 0,6 bar, kan upprätthållas direkt nedströms kompressorn 16 vid sådana driftsförhållanden med fet bränsle- /luft-blandning och/eller innan motorn arbetar med lambda = 1, vilka erfordrar tillförsel av tillsatsluft till katalysa- torrenaren 4 genom avtappning via avtappningskanalen 20.

För kompenseringen av den trycksänkning i insugningsgrenröret 12 som skulle bli en följd av luftavtappningen via avtapp- 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 luft- 4-68 524 a inströmning 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 trottelven- tilens 30 motor 32, den läges- eller PWM-styrda ventilens 24 motor 22 och reglerventilens 40 motor 42 måste styrenheten tillföras styrsignaler signifikanta 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, dels avgasernas tempe- ratur i avgasgrenröret 6, dels lufttrycket i insugningsgren- röret 12 i området mellan kompressorns 16 utloppssida och den extra trottelventilen 30. Dessa motorparametrar detekteras medelst en givare 44 hos katalysatorn 4, givare 46 och 48 hos motorn 2, en givare 50 hos avgasgrenröret 6 samt en givare 52 i insugningsgrenrörsväggen. Signalerna från dessa fem givare tilföres styrenheten 26 via signalledningarna 54, 56, 58, 60 och 62.

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

Vid det ovan beskrivna arrangemanget vill man också i möj- ligaste mån garantera en säker startfunktion. För att uppnå detta bör man tillse att den extra trottelventilen 30 om- ställes till sitt helt öppna läge under startmotorvevningen.

Härigenom undvikes onödiga pumpförluster som annars kan uppkomma. Ett dylikt fullständigt öppnande av trottelventilen kan relativt enkelt åstadkommas medelst ett elektriskt styrsystem, som omfattar den ovan beskrivna styrenheten 26 med tillhörande givare och ställmotorn 32.

.,,} 'J f! 468 524 9 Beträffande den extra trottelventilens 30 ställmotor 32 och givaren 52 skall också helt allmänt påpekas, att man som alternativ kan tänka sig en enkel, självreglerande, rent mekanisk/pneumatisk konstruktionsvariant med en tryckstyrd, membranförsedd tryckdosa. En sådan tryckdosa består i huvud- sak av ett slutet tryckhölje (hus) vars inre medelst en elastisk mellanvägg (exempelvis ett gummimembran) är uppdelat i två av väggen åtskilda tryckkammare. Från centrum av mel- lanväggen utgår på dess ena sida en manöverstång, som sträc- ker sig genom den ena tryckkammaren, ut genom en öppning i denna kammares yttervägg, och som i sin fria ände är direkt eller indirekt förbunden med trottelventilen för att manöv- rera densamma. Mellanväggens - och därmed manöverstångens - läge bestäms av den tryckskillnad som råder mellan tryckkam- rarna. I den ena tryckkammaren upprätthålles exempelvis ett styrtryck som uttages uppströms trottelventilen 30, medan den andra tryckkammaren exempelvis står i förbindelse med den omgivande atmosfären.

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 nedströms 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 response (svar) hos regleringen vilket i vissa fall kan vara önskvärt.

Hänvisning sker nu till det i fig. 2 visade, alternativa utförandet som endast skiljer sig från det i fig. 1 visade genom att viss kompletterande utrustning har tillfogats, och nedanstående beskrivning inskränker sig i huvudsak till de nytillkomna komponenterna och detaljerna. 'w å f b f”. o 524 w I det i fig. 2 visade utförandet är en luftmassmätare 70 anordnad i inloppsdelen 12' av ínsugningsgrenröret 12. Luft- massmätaren mäter den luftmassa som per tidsenhet insuges genom insugningsgrenrörets 12 inloppsdel 12'. 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 styr- enheten 26.

VI Avtappningen av tillsatsluften (extraluften) till katalysa- torn påverkar den luftmängd som når fram till motorns cylind- rar. Den uppströms kompressorn belägna luftmassmätaren mäter totala luftmängden till cylindrarna och katalysatorn. Den faktiska luftmängden som når cylindrarna - till vilken luft- mängd bränsletillförseln skall anpassas - kan lämpligen erhållas genom en korrigering av luftmassmätarens signal som funktion av ventilens 24 öppningsintervall/grad.

Genom tomgångsregleringen och luftmassmätningen blir det möjligt att erhålla: jämnare motorvarvtal, bättre kallstart- och vamkörningsegenskaper, förhöjt tomgångsvarvtal vid in- koppling av exempelvis luftkonditioneringsanläggning, kom- pensation för motorvarvtalssänkning till följd av ökad be- lastning (exempelvis genom styrservopump och generatorladd- ning), ävensom ytterligare eftersträvade egenskaper/funk- tioner.

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 vari- från tryckluft i reglerad mängd kan avtappas via en ledning fl' 80 och reglerventil 82 för att sedan via ledningen 84 ledas till aktuella tryckluftdrivna eller -förbrukande tillbehör (jämför US-A-3 934 413), exempelvis uppblåsbara dörrtät- ningar, 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' 468 524 11 insatt i luftavtappningskanalen 20. Denna ventil 24' manövre- ras medelst en motor 22 som styrs från styrenheten 26 via en signalledning 88.

Claims (5)

-Ps 0\ On 10 15 20 25 30 35 ll 01 NJ rs Egtegtkray

1. Anordning för luftinblåsning i ett med katalytisk avgas- renare (4) försett avgassystem till en överladdad ottomotor (2) i vars insugningsgrenrör (12) ingår en mekaniskt driven luftkompressor (16) för överladdningen. och där en luft- avtappningskanal (20) är inrättad för reglerbar avledning av luft från insugningsröret (12) och tillförsel av denna luft till katalysatorrenaren (4) såsom tillsatsluft, vilken luftavtappningskanal (20) sträcker sig från ett i huvudsak nedströms kompressorn beläget avlednings- ställe (18) i insugningsgrenröret (12) till ett uppströms katalysatorrenaren beläget tillförselställe (23) 1 avgas- systemet, k ä n n e t e c k n a d av att en elektroniskt styrd anordning (36,38,40) för tomgångsreglering är inrättad uppströms kompressorn, vilken anordning (36,38,40) reglerar en extra lufttillförsel till kompressorn för att kompensera för det luftflöde till katalysatorn som avtappas via luftav- tappningskanalen där den tomgàngsreglerande anordningen inne- fattar att områdena på motsatta sidor av ett i kompressorns insugningsgrenrör (12) anordnat luftspjäll (36) står i inbördes förbindelse 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 (44,46,48,50,52).

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att direkt efter kompressorn är en extra trottelventil (30) insatt i insugningsgrenröret omedelbart nedströms avledningsstället (18) vilken trottelventil (30) via reglerorgan (32,26,34) upp- rätthåller ett önskat övertryck, exempelvis åtminstone 0,6 bar, i insugningsgrenröret (12) i området av avledningsstället (18).

3. Anordning enligt krav 2, 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). *I < V; 10 468 524 13

4. Anordning enligt något av kraven 2-3, k ä n n e - t e c k n a d av att den extra trottelventilen (30) manövre- ras av en till styrenheten (26) ansluten ställmotor (32).

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att en tryckgivare (52) är anordnad i insugningsgrenröret (12) 1 området mellan kompressorn (16) och den extra trottelventilen (30), vilken tryckgivare är ansluten till styrenheten (26) för att via densamma styra ställmotorn (32) som manövrerar den extra trottelventilen (30).