DE19545714A1

DE19545714A1 - Verfahern zur Regelung der Gemischzusammensetzung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches

Info

Publication number: DE19545714A1
Application number: DE19545714A
Authority: DE
Inventors: Georg Dr Ing Huethwohl; Arno Dipl Ing Schindler
Original assignee: HJS FAHRZEUGTEILE GmbH
Current assignee: HJS Fahrzeugtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 1996-05-30
Also published as: DE19645905C2; DE19645905A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Ge mischzusammensetzung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches zum Be treiben eines Verbrennungsmotors mit einem 3-Wege-Katalysa tor.

Derartige Verfahren sind hinlänglich bekannt und beispiels weise in dem Prospekt "Geregelte Abgasreinigung" der Paul Wurm GmbH, 70329 Stuttgart, Deutschland, beschrieben. Das in dieser Druckschrift beschriebene Verfahren beinhaltet ein Erfassen der Motordrehzahl sowie des Sauerstoffpartialdruc kes im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors. Zusätzlich ist eine Vergaserüberbrückungsleitung für Luft vorgesehen. Über ein Luftventil ist die Menge der durch diese Überbrückungs leitung strömenden, dem Kraftstoff-Luft-Gemisch beizumengen de Luft regelbar.

Mit entsprechenden Sonden wird die Motordrehzahl sowie der Sauerstoffpartialdruck im Abgasstrom vor Eintritt in einen Katalysator erfaßt. Diese Daten beaufschlagen die Eingänge einer Steuereinheit. Die Steuereinheit vergleicht den gemes senen Sauerstoffpartialdruck als Lambda-Wert (Ist-Wert) mit einem Soll-Wert. Je nachdem, ob der Soll-Wert über- oder un terschritten ist, wird das entsprechende Luftventil ange steuert, welches dann geschlossen oder geöffnet wird. Die Geschwindigkeit, mit der das Ventil öffnet oder schließt, ist drehzahlabhängig. Bei geringen Drehzahlen erfolgt die Ventilverstellung langsam; bei höheren Drehzahlen schneller.

Im Unterschied zu modernen geregelten Einspritzmotoren, bei denen der Eingriff in die Gemischzusammensetzung über die Kraftstoffdosierung erfolgt und ein solches zusätzliches re gelbares Ventil nicht vorgesehen ist, findet das vorbe schriebene Verfahren insbesondere bei einer Nachrüstung von Vergasermotoren Anwendung.

Auch wenn das vorbekannte Verfahren bei stationären Motoren, die überwiegend unter gleichbleibenden Bedingungen betrieben werden, einen zufriedenstellenden Betrieb mit entsprechend schadstoffreduziertem Abgas gewährleistet, so ergeben sich Nachteile bei einem dynamischen Betrieb, wie er für einen Betrieb von Kraftfahrzeugmotoren üblich ist. Ist beispiels weise in einem unteren Drehzahlbereich die Gemischzusammen setzung zu fett, bewirkt dies, daß der von der Lambda-Sonde erfaßte Wert < 1 ist. Dieser an die Steuereinheit übermit telte Wert bewirkt, daß dann von dieser ein Impuls an das regelbare Luftventil übermittelt wird, welches zur Öffnung des Ventiles führt. Dem Gemisch wird sodann zusätzliche Luft zugeführt. Ändert sich jedoch gleichzeitig der Betriebszu stand des Motors, beispielsweise durch Erhöhen der Drehzahl, wird diesem durch den Vergaser auch zusätzliches Kraft stoff-Luft-Gemisch zugeführt. Diese Überlagerung von zusätz lich zugeführter Luft mit dem zusätzlich angesaugtem Gemisch hat zur Folge, daß die zusätzliche Luftmenge nicht an den neuen Betriebszustand angepaßt ist. Im ungünstigen Fall kann dies zu einem Absterben des Motors führen. Die Regel zeit dieses bekannten geregelten Abgasreinigungssystems be trägt etwa 300 msec im Leerlaufbereich des Motors.

Der Sauerstoffpartialdruck im Abgasstrom wird üblicherweise mit einer Lambda-Sonde gemessen. Bei dieser Sonde handelt es sich um eine sogenannte Sprungsonde. Mit einer solchen Sonde lassen sich zwei Zustände erfassen: Das Gemisch ist zu fett (der Lambda-Wert ist < 1) oder das Gemisch ist zu mager (der Lambda-Wert ist < 1). Da zudem das Luftventil entweder ge öffnet oder geschlossen wird und sich die Verstellzeit des Luftventiles in Abhängigkeit von der Motordrehzahl ergibt, sind die Ventilbewegungen bei einem dynamischen Motorenbe trieb sehr hoch. Der Ventilöffnungsgrad bewegt sich zwischen 0 und 100%. Selbst wenn sich bei einem dynamischen Betrieb ein über eine Zeitspanne gemittelter Lambda-Wert von etwa 1 ergibt, resultiert dies nur daher, daß einmal der Lambda- Wert wesentlich zu hoch und im anderen Falle wesentlich zu niedrig ist. Ein Gemisch, welches im Abgas einen Lambda-Wert von 1 aufweist, erhält der Motor nur zufällig.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Gemischzusammensetzung eines Kraftstoff-Luft- Gemisches zum Betreiben eines Vergasermotors mit Lambda-ge regelter Gemischzusammensetzung zu schaffen, mit dem auch bei einem dynamischen Motorenbetrieb die Gemischzu sammensetzung in Bezug auf eine abgasarme Verbrennung opti miert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verfahren umfaßt:

- Erfassen der Motordrehzahl und der Motorbetriebstemperatur sowie des Sauerstoffpartialdruckes im Abgasstrom,
- Bestimmen einer zusätzlich dem Vergasergemisch beizumen genden Luftmenge in Abhängigkeit von den erfaßten Daten, wobei in Abhängigkeit von der erfaßten Motordrehzahl die maximal zulässige, zusätzlich zuzuführende Luftmenge be stimmt wird und wobei in Abhängigkeit von der Motordreh zahl die maximal zusätzlich zuzuführende Luftmenge bei ge ringen Motordrehzahlen gegenüber höheren Motordrehzahlen kleiner ist,
- Steuern eines Luftventiles zum Zuführen der zusätzlichen, drehzahlabhängigen Luftmenge in das Kraftstoff-Luft-Ge misch.

Durch Begrenzung der jeweiligen maximalen Öffnungsstellung des Luftventiles durch die Motordrehzahl wird erreicht, daß die Regelabweichungen verringert werden. Der Abgleich der maximalen Öffnungsstellung des Luftventiles zum zusätzlichen Zuführen von Verbrennungsluft erlaubt eine Anpassung des zu vor bestimmten Impulses zur Steuerung des Luftventiles an die aktuelle Motorensituation. Insbesondere bei geringen Mo tordrehzahlen, bei denen der Massentransport im Abgasstrom relativ langsam ist, was naturgemäß zur Folge hat, daß Dreh zahländerungen und somit Änderungen im Lambda-Wert erst mit einer gewissen Verzögerung von der Lambda-Sonde erfaßt wer den, zeigen sich die Vorteile dieser Erfindung. Fahrzeugun abhängig ist vorgesehen, daß bei geringen Drehzahlen der Öffnungsgrad des Luftventiles stärker begrenzt ist als bei höheren Motordrehzahlen, bei denen dann ein vollständiges öffnen des Luftventiles zulässig ist. Wie weit der tatsäch liche Öffnungsgrad des Luftventiles im unteren Dreh zahlbereich ausgestaltet ist, ist fahrzeugabhängig.

Das insbesondere für eine Nachrüstung von Vergasermotoren vorgesehene Verfahren verwendet eine elektronische Steuer einheit, die auch eine Speichereinheit umfaßt, in der in Ab hängigkeit vom Fahrzeugtyp unterschiedliche, die Luft zufuhrsteuerung beeinflussende Daten gespeichert sind. Diese Daten umfassen beispielsweise die drehzahlabhängige Ge schwindigkeitssteuerung für das Öffnen oder Schließen des Luftventiles ebenso wie die maximal zulässige Luftventilöff nung bei unterschiedlichen Drehzahlen.

In einer Weiterbildung dieses Verfahren ist vorgesehen, daß die zusätzliche Luftzufuhrmenge in Abhängigkeit von weiteren lastabhängigen Betriebsparametern des Motors bestimmt wird. Diesbezüglich werden in unterschiedlichen Ausführungsbei spielen entweder die Drosselklappe des Vergasers, der Saug rohrdruck oder die Motorenbetriebstemperatur erfaßt. Eben falls kann vorgesehen sein, daß diese zusätzlichen Parameter in Kombination zur Steuerung des Luftventiles erfaßt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfol genden Figurenbeschreibung. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zur Lambda-Regelung der Gemischzusammensetzung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit 3-Wege-Katalysator

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Steuer einheit zur Regelung der Gemischzusammenset zung,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der drehzahlabhän gigen maximalen Luftventilöffnung in einem Bei spiel.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 zur Regelung der Ge mischzusammensetzung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches besteht im wesentlichen aus einer Lambda-Sonde 2 zur Messung des Sauerstoffpartialdruckes im Abgasstrom, aus einem Sensor 3 zum Erfassen der Motordrehzahl sowie einem Sensor 4 zum Er fassen der Motorenbetriebstemperatur, aus einer Steuereinheit 5 und aus einer Vergaserüberbrückungsleitung 6, in die ein regelbares Luftventil 7 eingesetzt ist.

Die Vorrichtung 1 findet Verwendung zum Nachrüsten von Ver brennungsmotoren 8, deren Brennstoffgemischzusammensetzung in einem Vergaser 9 oder durch Benzineinspritzung erstellt wird.

Die durch einen Luftfilter 10 angesaugte Luft wird im Verga ser 9 mit durch eine Kraftstoffleitung 11 angesaugtem Brenn stoff zu einem Kraftstoff-Luft-Gemisch vermengt, welches als Brennstoff dem Motor 8 zugeführt wird. Der Motor 8 arbeitet nach dem Otto-Prinzip. Die bei der Verbrennung des Brenn stoffgemisches entstehenden Abgase werden über ein Abgasrohr 12, welches in einen 3-Wege-Katalysator 13 mündet, abge führt.

Zur Änderung des durch den Vergaser erzeugten Kraftstoff- Luft-Gemisches ist die Überbrückungsleitung 6 mit dem darin eingesetzten Luftventil 7 vorgesehen. Mit dieser Einrichtung ist es möglich, zusätzliche Luft dem Brennstoffgemisch bei zumengen, so daß das Gemisch in Abhängigkeit von der Ventil stellung des Luftventiles 7 magerer oder fetter eingestellt werden kann.

Das Luftventil 7 wird über die Steuereinheit 5 mittels einer Impulsleitung 14 angesteuert. Zur Bestimmung, ob das Luft ventil zu öffnen oder zu schließen ist, sind die Ausgänge der Sonde 2 sowie der Sensoren 3, 4 an entsprechende Eingän ge 15, 16, 17 der Steuereinheit 5 angeschlossen.

Die Steuereinheit 5 ist in Fig. 2 in einem schematischen Blockschaltbild dargestellt. Die Eingänge 15, 16, 17 beauf schlagen ein Komparatormodul 18. Ferner weist die Steuerein heit 5 eine Speichereinheit 19 auf, in dem fahrzeugspezifi sche Kenndaten sowie der optimale Lambda-Wert (Lambda = 1) des Abgasstromes gespeichert sind. Über einen weiteren Ein gang 20 sind Daten von dem Komparatormodul 18 aus der Spei chereinheit 19 abrufbar. Der Ausgang 21 des Komparatormoduls 18 bildet den Eingang eines Impulsgebers 22. Über zwei wei tere Eingänge 23, 24 ist der Impulsgeber 22 mit den erfaßten Daten des Drehzahlmessers 3 sowie in der Speichereinheit 19 abgelegten Daten verbunden. Die Impulsleitung 14 ist aus gangsseitig an den Impulsgeber 22 angeschlossen.

Das mit den Eingängen 15, 16, 17 beaufschlagte Komparatormo dul 18 vergleicht den gemessenen Lambda-Wert mit dem in der Speichereinheit 19 gespeicherten Lambda-Wert. Stimmen die beiden Werte innerhalb bestimmter Fehlergrenzen miteinander überein, wird an den Impulsgeber 22 kein Signal übertragen.

Ist der mit der Lambda-Sonde 2 gemessene Sauerstoffpartial druck beispielsweise geringer als der im Speichermodul 19 hinterlegte Soll-Wert, welches wiederum bedeutet, daß das dem Motor 8 zugeführte Gemisch zu fett ist, wird an den Im pulsgeber 22 ein Signal übermittelt, demzufolge das Luftven til 7 zu öffnen ist. Über die Speichereinheit 19 und den Eingang 23 erhält der Impulsgeber 22 zusätzlich Daten bezüg lich der aktuellen Motordrehzahl sowie die für die Einstel lung eines optimalen Kraftstoff-Luft-Gemisches notwendigen Fahrzeugkenndaten. Der Impulsgeber 22 bestimmt sodann die Geschwindigkeit, mit der das Luftventil 7 zu öffnen ist und welcher Luftventilöffnungsgrad zulässig ist. Über die Im pulsleitung 14 wird das Luftventil 7 angesteuert, welches sich entsprechend öffnet. Das dem Motor 8 nunmehr zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch ist dann sauerstoffreicher, so daß der anschließend mit der Lambda-Sonde 2 gemessene Wert ent sprechend größer ist.

Ist der im Abgasstrom gemessene Lambda-Wert der Lamda-Sonde 2 größer als der im Speichermodul 19 abgelegte Lambda-Wert, wird entsprechend umgekehrt verfahren.

In einer Weiterbildung weist die Speichereinheit 19 eine Steckleiste auf, so daß diese über ein entsprechendes Ver bindungskabel an einen Computer angeschlossen werden kann. Es ist dann möglich, beim Betrieb interaktiv die Fahrzeug kennwerte zu verändern.

Zur weiteren Optimierung des Regelkreises ist in einer wei teren, nicht dargestellten Weiterbildung vorgesehen, den Im pulsgeber zusätzlich mit lastabhängigen Parametern zu beauf schlagen. Diesbezüglich kann vorgesehen sein, entweder die Stellung der Drosselklappe des Vergasers 9 oder den Saug rohrdruck oder die Motorbetriebstemperatur oder eine Kombi nation dieser Parameter zu verwenden.

Das in Fig. 3 gezeigte Diagramm verdeutlicht, daß im unte ren Drehzahlbereich die maximal zulässige Öffnung des Luft ventiles begrenzt ist. Erst bei Drehzahlen von über 3000 U/min ist bei diesem Luftventil eine vollständige Öffnung vorgesehen. Entsprechend gegenläufig verläuft die Kurve der Regelkreisdämpfung. Der Öffnungsgrad des Luftventiles 7 im unteren Drehzahlbereich ist von Fahrzeugtyp zu Fahrzeugtyp unterschiedlich. Über Meßreihen ist der für diese Drehzahlen vorgesehene maximale Luftventilöffnungsgrad bestimmbar. Die se Daten werden in der Speichereinheit 19 gespeichert. Ent sprechend unterschiedlich stellt sich auch der Verlauf einer solchen Kurve für unterschiedliche Fahrzeugtypen dar.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung zur Regelung einer Gemischzusammensetzung
2 Lambda-Sonde
3 Sensor zum Erfassen der Drehzahl
4 Sensor zum Erfassen der Motortemperatur
5 Steuereinheit
6 Vergaserüberbrückungsleitung
7 Luftventil
8 Motor
9 Vergaser
10 Luftfilter
11 Kraftstoffleitung
12 Abgasrohr
13 Katalysator
14 Impulsleitung
15 Eingang für Lambda-Sondensignal
16 Eingang für Motordrehzahlsignal
17 Eingang für Motortemperatursignal
18 Komparatormodul
19 Speichereinheit
20 Eingang für Daten aus Speichermodul
21 Ausgang
22 Impulsgeber
23 Eingang für Motordrehzahlsignal
24 Eingang für Daten aus Speichermodul

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Gemischzusammensetzung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches zum Betreiben eines Verbren nungsmotors (8) mit einem 3-Wege-Katalysator umfassend:

- Erfassen der Motordrehzahl und der Motorbetriebstempe ratur sowie des Sauerstoffpartialdruckes im Abgasstrom,
- Bestimmen einer zusätzlich dem Vergasergemisch beizu mengenden Luftmenge in Abhängigkeit von den erfaßten Daten, wobei in Abhängigkeit von der erfaßten Motor drehzahl die maximal zulässige, zusätzlich zuzuführende Luftmenge bestimmt wird und wobei in Abhängigkeit von der Motordrehzahl die maximal zusätzlich zuzuführende Luftmenge bei geringen Motordrehzahlen gegenüber hö heren Motordrehzahlen kleiner ist,
- Steuern eines Luftventiles (7) zum Zuführen der zusätz lichen, drehzahlabhängigen Luftmenge in das Kraft stoff-Luft-Gemisch.

2. Regelungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die maximale Öffnungsweite des Luftventiles (7) in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors (8) begrenz bar ist.

3. Regelungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß als weiterer oder weitere Parameter lastabhängige Betriebszustände zur Regelung der zu sätzlich zuzuführenden Luftmenge erfaßt werden.

4. Regelungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Stellung der Drosselklappe des Vergasers (9) erfaßt wird.

5. Regelungsverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Saugrohrdruck erfaßt wird.

6. Regelungsverfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch ge kennzeichnet, daß in die Regelung der zusätzlich zuzufüh renden Luftmenge die erfaßte Betriebstemperatur des Mo tors (8) Einfluß findet.