DE2210775A1

DE2210775A1 - Regeleinrichtung fuer das luft-kraftstoff-gemisch bei mit fremdzuendung arbeitenden einspritzbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2210775A1
Application number: DE19722210775
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl Phys Dr Knapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1972-03-07
Filing date: 1972-03-07
Publication date: 1973-09-13
Also published as: GB1410413A; JPS48103923A

Description

07 03

2.3.1972 Ks/Kf 2210775

Anlage zur

Patent- und . , ,

Gebrauchsmusterhilfs-^Aninelduni!:

ROBERT BOSCH GMBH. 7 Stuttgart 1

Regeleinrichtung für das Luft-Kraftstoff-Gemisch bei mit Fremdzündung arbeitenden Einspritzbrennkraftmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für das Luft-Kraftstoff-Gemisch bei mit Fremdzündung arbeitenden Einspritzbrennkraftmaschinen mit einem drehzahlabhängig arbeitenden Verstellglied, dessen Verstellbewegungen unter Zwischenschaltung eines Raumnockens über mindestens zwei hintereinander geschaltete Zwischenhebel auf das Fördermengenverstellglied der Einspritzeinrichtung übertragbar sind, wobei der Drehpunkt des zweiten Zwischenhebels auf einem Korrekturhebel angeordnet ist, an den vorzugsweise zwei von Betriebsgrößen des Motors abhängige Stellglieder angreifen, von denen eines ein von der Kühlmitteltemperatur des Motors beeinflußtes Temperaturmeßglied ist.

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R. Ks/Kf

Bei einer bekannten Regeleinrichtung dieser Bauart (s. "Motortechnische Zeitschrift" Heft 9, September I965,.Seite I56) wird durch den Raumnocken das gewünschte Kennfeld des Motors nachgebildet; d.h. jeder Drehzahl- und jeder Drosselklappenstellung ist eine günstigste, die Leistung und den Kraftstoffverbrauch des Motors berücksichtigende Einstellung für das Fördermengenverstellglied der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zugeordnet.

Wegen der gesetzlichen Bestimmungen zur Reinhaltung der Luft (Californien-Test) muß nunmehr bei modernen Motoren das Kennfeld auch noch die Grenzwerte für den Anteil schädlicher Stoffe in den Abgasen berücksichtigen. Deshalb muß das Kennfeld sehr genaue Werte des Luft-Kraftstoff-Gemisches im gesamten Last- und DrehζahIbereich des Motors steuern und einhalten.

Diese Forderung wurde bisher bis zu einem gewissen Grade durch den Einbau zusätzlicher Korrekturglieder und durch eine hohe Auflösung bzw. eine Vergrößerung und eine größere Genauigkeit des vom Raumnocken darzustellenden Kennfeldes erfüllt. Die inzwischen erlassenen und vorbereiteten gesetzlichen Bestimmungen erfordern jedoch eine Genauigkeit der Regelung des Luft-Kraftstoff-Gemisches, die mit den vorgenannten, bekannten Einrichtungen nicht verwirklichbar ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung der eingangs beschriebenen Bauart zu schaffen, die die genannte Forderung nach der genauen Einhaltung des vorbestimmten Wertes für das Luft-Kraftstoff-Gemisch (Luftzahl λ ) erfüllt.

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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das zweite Stellglied eine elektrischer Stellmotor ist, der von einem Ausgangssignal eines in der Abgasleitung des Motors'angeordneten Sauerstoff-Meßfühlers über einen elektronischen Regelverstärker derart ansteuerbar ist, daß das durch die Form des Raumnockens festgelegte Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff (Luftzahl Λ ) im warmem Zustand des Motors unabhängig von den sich ändernden Betriebsbedingungen auf dem festgelegten Wert gehalten wird.

Durch die erfindungsgemäße Steuerung des zweiten Stellgliedes in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des in der Abgasleitung angeordneten Sauerstoff-Meßfühlers wird die festgelegte Luftzahl X im gesamten Betriebsbereich des Motors eingehalten. Gegenüber bekannten mit Sauerstoff-Meßfühlern ausgestatteten Regeleinrichtungen (DT-OS 2 010 793) hat die erfindungsgemäße Einrichtung außerdem den Vorteil, daß lediglich eine Korrektur . der Luftzahl und keine Steuerung erfolgt. Die Anordnung des zweiten Stellgliedes am Korrekturhebel hat zudem noch den Vorteil, daß die erforderliche Korrektur der Luftzahl λ proportional zur jeweiligen Kraftstoffmeηge vorgenommen wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ergibt sich dadurch, daß der Regelverstärker als Integralregler ausgebildet ist, der einen Eingang zur Vorgabe des Sollwertes der Luftzahl Λ aufweist und einen zweiten Eingang hat, an den der Sauerstoff-Meßfühler angeschlossen ist, und daß in einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes zwischen dem Regelverstärker und dem Stellmotor ein Nachlaufregler vorgesehen ist, dessen Ausgangsspannung zur Erzeugung verschiedener Drehrichtungen des Stellmotors positive und negative Werte

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R. ^07ÖC Ks/Kf

anninunt, und daß der elektrische Ausgang eines mit der Ausgangswelle des Stellmotors verbundenen Drehwinkelgebers mit einem Vergleichseingang des Nachlaufreglers verbunden ist.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ergibt sich dadurch, daß die Abgasleitung mit einer Abgasentgiftungseinrichtung versehen ist und die Luftzahl λ auf einem stöchiometrischen oder geringfügig unter stöchiometrischen Wert ( Λ =1 oder ca. 0,98) gehalten wird, wobei sich eine besonders vereinfachte Anordnung dadurch ergibt, daß die Abgasentgiftungseinrichtung aus einem zur Verbrennung des Kohlenmonoxids und der Kohlenwasserstoffe diendenden Thermo·- reaktor und einem katalytischen Reaktor zur Reduktion der Stickoxide besteht. Durch die Regelung der Luftzahl A auf einen Wert von vorzugsweise etwa 0,98 erreicht man, daß die Grundemission an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen schon einen sehr niedrigen Wert annimmt. Daher genügt ein einfacher Thermoreaktor zur Nachverbrennung dieser Bestandteile. Trotzdem bleibt ein gewisser Überschuß an Kohlenmonoxid erhalten, d.h. die Abgase sind beim Eintritt in den zweiten, katalytischen Reaktor schwach reduzierend. Eine solche schwache Reduzierung der Zusammensetzung der Abgase ergibt eine optimale Reduktionswirkung des katalytischen Reaktors.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Sauerstoff-Meßfühler zwischen dem Thermoreaktor und dem katalytischen Reaktor angeordnet, weil auch bei Luftzahlen, die kleiner als 1 sind, die Abgase neben den unverbrannten Kohlenwasserstoffen noch Sauerstoff enthalten, der aber im Thermoreaktor weitestgehend verbraucht wird.

Eine besonders präzise Regelung der Luftzahl λ ist dadurch möglich, daß in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung

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der Sauerstoff-Meßfühler aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten- vorzugsweise Zirkondioxid - besteht, der beiderseits mit mikroporösen Platinschichten bedampft ist, daß eine der Platinschichten mit der Außenluft und die andere mit den Abgasen in Berührung steht, daß das Ausgangssignal des Sauerstoff-Meßfühlers an mit den beiden Platinschichten verbundenen Anschlußklemmen abnehmbar ist, und daß der Pestelektrolyt nicht direkt mit den Abgasen in Berührung steht. Das elektrische Ausgangssignal eines derartigen Sauerstoff-Meßfühlers ändert sich genau bei der Luftzahl A =1 sprungartig, weil bei geringfügig größeren Luftzahlen plötzlich unverbrannter Sauerstoff im Abgas vorliegt.

Ein Beispiel der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung wird in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung,

Fig. 2 Diagramme der Abgas zusammensetzung in Abhängigkeit von der Luftzahl Λ ,

Fig. 3 die Regeleinrichtung in schematischer Darstellung,

Fig.4 den Teil des Regelkreises nach Fig. 1, der zur Ansteuerung der Regeleinrichtung nach Fig. 3 dient,

Fig. 5 einen Schaltplan eines Teils des Regelkreises nach den Figuren 1 und 4,

Fig. 6 einen Sauerstoff-Meßfühler in schematischer Darstellung und

Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Meßfühlers nach Fig. 6.

In Fig. 1 ist mit 11 eine Brennkraftmaschine bezeichnet, die über ein Luftfilter 12 und eine Luftansaugleitung 13 Luft

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η. 0700 κ

ansaugt. In der Luftansaugleitung 13 ist eine Drosselklappe lh beweglich gelagert, die über Verbindungsglieder 15 und von einem Gaspedal 17 betätigbar ist. Jedem Zylinder der Brennkraftmaschine 11 ist ein Xraftstoffeinspritzventil 20 zugeordnet, das unmittelbar vor dem Einlaßventil von einer als Einspritzeinrichtung dienenden Einspritzpumpe 21 geförderten Kraftstoff in den Ansaugstutzen 22 der Luftansaugleitung 13 einspritzt. Von diesen Einspritzventilen 20 ist in Fig. 1 nur eines dargestellt, das über eine Kraftstoffleitung 23 mit der Einspritzpumpe 21 verbunden ist.

Die Einspritzpumpe 21 wird vom Motor 11 angetrieben und ist mit einer Regeleinrichtung 25 für das Luft-Kraftstoff-Gemisch des Motors zusammengebaut. Die Regeleinrichtung 25 hat einen Bedienungshebel 26, der über das Verbindungsglied 16 mit dem Gaspedal 17 und über das Verbindungsglied 15 mit der Drosselklappe I¹I in der Luftansaugleitung 13 gekoppelt ist.

Der Motor 11 hat eine Abgasleitung 30, die aus einer Abgas-Sammelleitung 31, einem Thermoreaktor 32, einem katalytischen Reaktor 33 und einem Abgasrohr 3¹* besteht, das in bekannter und hier nicht näher dargestellten Weise zu einer Schalldämpferanlage führt.

Die beiden Reaktoren 32 und 33 sind zu einer Abgasentgiftungseinrichtung 35 zusammengefaßt, wobei der Thermoreaktor 32 zur Verbrennung des Kohlenmonoxids und der Kohlenwasserstoffe und der katalytische Reaktor 33 zur Reduktion der Stickoxide dient.

Der katalytische Reaktor 33, der als Einbettkatalysator ausgebildet ist, enthält einen keramischen Katalysator, der als

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R. ^U/<lü Ks/Kf

aktive Substanzen vorzugsweise Bariumchromat und Kupferchromat enthält. Diese Substanzen sind für Reduktions- bzw. Oxidationsreaktionen katalytisch besonders gut wirksam, weil die Chromate ihre Oxidationsstufe relativ leicht ändern. Zur Reduktion der Stickoxide, die vor allem als NO und NO₂ vorliegen, dienen der durch den Thermoreaktor 32 nicht verbrannte Anteil des Kohlenmonoxids und der Wasserstoff aus den unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Das Verhältnis der wirksamen Massen von CO/Hp ist dabei ungefähr gleich 3:1.

Es ist demnach gewährleistet, daß im katalytisehen Reaktor 33 außer den Stickoxiden auch noch die Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid weiter abgebaut werden. Die gesamten Schadstoff-, mengen im Abgas sind am Ausgang des katalytisehen Reaktors 33 außerordentlich niedrig.

Diese Abgasentgiftungseinrichtung 35 ist einfacher und billiger als z.B. bekannte Anlagen mit zwei hintereinander geschalteten katalytisehen Reaktoren, von denen der erste zum Abbau der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids dient, während im zweiten Reaktor mit Hilfe von zugesetztem Ammoniak die Stickoxide reduziert werden. Eine derartige Anlage ist sehr aufwendig, weil erstens zwei getrennte Katalysatoren (sog. Zweibettkatalysator) erforderlich sind, und weil zweitens auf dem Kraftfahrzeug ein Behälter mit Ammoniak mitgeführt werden muß. _;

In die Wand der vom Thermoreaktor 32 zum katalytisehen Reaktor 33 führenden Rohrleitung ist ein Sauerstoff-Meßfühler 37 eingebaut, dessen Ausgangssignal Sl unter Zwischenschaltung eines Vorverstärkers 39 in einen Regelverstärker 40 eingegeben wird, dessen Steuersignal S2 einen elektrischen Stellmotor

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R. 07 0υ _Ks/Kf

4l beaufschlagt, der neben einem ersten Stellglied 42 als zweites Stellglied Teil der Regeleinrichtung 25 ist. Das erste Stellglied 42 ist ein von der Kühlmitteltemperatur des Motors beeinflußtes Temperaturmeßglied, ist an sich bekannt und wird deshalb im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht näher beschrieben.

In Fig. 2 sind die Anteile der im Abgas enthaltenen schädlichen Bestandteile über der Luftzahl λ dargestellt. Die Luftzahl A ist bekanntlich so definiert, daß sie den Zahlenwert 1 annimmt, wenn ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Gemisch vorliegt. Bei Luftüberschuß nimmt die Luftzahl λ einen Wert über 1,0 an und bei Luftmangel hat sie einen Wert unter 1,0, wobei dieser Wert das Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff angibt.

Eine Kurve 45 zeigt den Verlau-f des Gehalts des Abgases an Kohlenmonoxid (CO) an. Unterhalb von A =1,0 steigt der CO-Wert mit fallender Luftzahl stetig an und oberhalb von

λ =1,0 ist dieser Wert im wesentlichen konstant und sehr klein.

Eine Kurve 46 für.den Gehalt der Abgase an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (CH) zeigt bis zu A =1,3 ungefähr den gleichen Verlauf wie die Kurve 45. Oberhalb von A =1,3 nimmt der Gehalt an Kohlenwasserstoffen sprunghaft zu, weil die Abgas Zusammensetzung durch eine zunehmende Zahl von Zündaussetzern beeinflußt wird. Diese Zündaussetzer sind eine FoI^e des sehr mageren Gemisches.

Eine Kurve 47 für den Gehalt der Abgase an Stickoxiden (NOx) zeigt genau den umgekehrten Verlauf der beiden Kurven 45 und Sie weist einen Maximalwert auf, der ungefähr bei A = 1,05

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R. 07 ö ο _Ks/Kf

liegt. Zu großen und zu kleinen Luftζahlwerten hin fällt die Kurve 47 steil ab. Dies ist dadurch bedingt, daß Stickoxide nur bei hohen Verbrennungstemperaturen durch Verbrennung des Luftstickstoffes entstehen. Die Verbrennungstemperatur erreicht aber ihren Maximalwert ungefähr bei stöchiometrischem Gemisch.

Während die Kurve 47 für die Zusammensetzung des Abgases in der Abgas-Sammelleitung 31 gilt, nimmt der Stickoxidgehalt am Ausgang des katalytischen Reaktors 33 einen wesentlich anderen Verlauf, der durch eine gestrichelt gezeichnete Kurve 48 dargestellt ist. Bei reduzierender Abgaszusammensetzung, d.h. bei kleinen Luftzahlen, reagieren die Stickoxide im katalytischen Reaktor 33 mit dem Kohlenmonoxid CO und mit Wasserstoff aus den unverbrannten Kohlenwasserstoffen CH. Deshalb findet man bei kleinen Luftzahlen am Ausgang des katalytischen Reaktors 33 praktisch keine Stickoxide mehr im Abgas.

Beim überschreiten der Luftzahl A =1,0 ändern die Abgase ihr Zusammensetzung von reduzierend nach oxydierend, d.h. es ist mehr Sauerstoff im Abgas enthalten. Damit können die Stickoxide NOx im katalytischen Reaktor 33 nicht mehr reduziert werden, so daß für große Luftzahlen die beiden Kurven 47 und zusammenfallen.

In Fig. 3 ist die an die Einspritzpumpe 21 angebaute Regeleinrichtung 25 vereinfacht dargestellt. Auf der Antriebswelle 50 der Einspritzpumpe 21 sitzt ein Fliehkraftversteller 52, dessen Fliehgewichte 53 bei Drehzahländerungen auf einen Raumnocken 54 wirken, der als drehzahlabhängig arbeitendes Verstellglied entgegen der Kraft einer Feder 55 verschiebbar ist und seinerseits von dem Bedienungshebel 26 (Fig. 1) über ein übertragungs-

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R. υ < « υ _Ks/_Kf

glied 57 derart verdreht werden kann, daß in bekannter Weise je nach Stellung des Bedineungshebels 26 ein anderer Bereich am Umfang des Raumnockens 54 mit einer Tastrolle 60 eines als Winkelhebel ausgebildeten ersten Zwischenhebels 61 in Verbindung kommt. Der Bedienungshebel 26 ist wie in Fig. 1 andeutungsweise dargestellt, dem Gashebel 17 und der Drosselklappe Hl des Motors 11 verbunden.

Drehzahlabhängige Längsbewegungen und durch den Bedienungshebel 26 gesteuerte Drehbewegungen des Raumnockens 54 ergeben je nach der Form einer in Eingriff mit der Tastrolle 60 befindlichen Kurvenbahn 62 auf der Oberfläche des Raumnockens 54 eine Schwenkbewegung des ersten Zwischenhebels 61, die auf einen zweiten Zwischenhebel 65 übertragen wird. Der zweite Zwischenhebel 65 hat als Drehpunkt eine Achse 66, die auf einem Korrekturhebel 67 sitzt, der an seinem einen Ende 68 eine Steuerkurve 69 trägt. Die Steuerkurve 69 gleitet bei Bewegungen des Korrekturhebels 67 an einem gehäusefesten Bolzen 70 entlang. Das andere Ende 71 des Korrekturhebels 67 ist mittels einer Lasche 72 und einem Lager 73 an ein nur strichpunktiert angedeutetes Gehäuse 74 der Regeleinrichtung 25 angelenkt. Die Verbindung der einzelnen Teile mit dem Gehäuse 74 ist in der schematischen Darstellung von Fig. 3 nur durch Schraffur angedeutet.

Der zweite Zwischenhebel 65 hat an einem Ende einen Schlitz 76, in den ein Stift 77 des ersten Zwischenhebels 6l eingreift. An seinem anderen Ende hat er einen zweiten Schlitz 78, in dem ein am Fördermengenverstellglied 80 der Einspritzpumpe 21 fester Stift 8l geführt ist. Bewegungen der Tastrolle 60 sind somit über die Zwischenhebel 6l und 65 auf das Fördermengenverstellglied 80 übertragbar.

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Zwischen der Achse 66 und der Lasche 72 stützt sich mit ihrem einen Ende 82 eine Druckstelze 83 auf dem Korrekturhebel 67 ab, während das andere Ende 84 der Druckstelze 83 an einem Hebel 85 angreift. Die schneidenförmig ausgebildeten Enden 82 und 84 der Stelze 83 sitzen in einer Kerbe 86 des Korrekturhebels 67 und einer Kerbe 87 des Hebels 85. Die Lage der Druckstelze 83 ist durch eine Feder 88 gesichert, deren Schräglage gleichzeitig die Steuerkurve 69 des Korrekturhebels 67 so an den Bolzen 70 andrückt, daß das evtl. vorhandene Spiel ausgeschaltet ist. Der Hebel 85 überträgt die Stellbewegungen von zwr*i von Betriebsgrößen des Motors abhängigen Stellgliedern 4l und 42 auf die Druckstelze 83, die ihrerseits den Korrekturhebel "67 entgegen der Kraft der Feder 88 verschiebt, sobald sich mindestens eine der Betriebsgrößen ändert.

Das eine Stellglied 42 ist ein Temperaturmeßglied, das von der Temperatur des Motorkühlwassers oder der Motorkühlluft beeinflußt wird und dessen Stellbewegungen über den Hebel 85 und die Stelze 83 auf den Korrekturhebel 67 übertragen werden. Der Hebel 85 ist dabei durch einen Stift 89 im Reglergehäuse 74 geführt, und eine Feder 90 bewirkt, daß der Hebel 85 dauernd an dem Temperaturmeßglied 42 anliegt.

Der als zweites Stellglied dienende Stellmotor 41 ist über .Leitungen 91 mit dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Regelverstärker 40 verbunden, dessen Steuersignal S2 den Stellmotor 4l ansteuert. Der Stellmotor 4l hat ein Getriebe 92, dessen Ausgangswelle 93 höchstens eine Umdrehung macht und dabei den maximalen Stellweg Hmax eines Betätigungsbolzens 94 des Stellmotors 4l erzeugt, was durch einen entsprechend ausgebildeten und nicht näher dargestellten Spindelantrieb 95 für den Betätigungsbolzen 94 erreichbar ist. Die Ausgangswelle

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R. ^07ώδ Ks/Kf

ist mit einem Drehwinkelgeber 96 versehen, dessen Leitungen 97 und 98 an einen im folgenden zu Fig. 4 näher beschriebenen Teil des zugehörigen Regelkreises angeschlossen sind.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Teil des Regelkreises sind der Temperatur-Meßfühler 37, der Vorverstärker 39 und der Regelverstärker 40 in gleicher V/eise miteinander verbunden, wie bei der Schaltung nach Fig. 1. Zwischen dem Regelverstärker 40 und dem Stellmotor 4l ist ein mit 100 bezeichneter Nachlaufregler angeordnet, dessen Ausgangsspannung Ua zur Erzeugung verschiedener Drehrichtungen des Stellmotors 41 positive und negative Werte annimmt, über die Leitung 97 ist der elektrische Ausgang des mit der Ausgangswelle 93 des Stellmotors 41 verbundenen Drehwinkelgebers 96 mit einem Vergleichseingang 101 des Nachlaufreglers 100 verbunden. Der als Integralregler ausgebildete und zu Fig. 5 noch näher beschriebene Regelverstärker ¹JO hat neben dem vom Vorverstärker 39 verstärkten Ausgangssignal Sl des Temperatur-Meßfühlers 37 einen zweiten Eingang 102, der lediglich zur Angabe des Sollwertes für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Luftzahl A ) dient. Der Winkelgeber 96 ist über eine Plus leitung 103 mit der Spannungsquelle des Motors 11 verbunden.

In Fig. 5 ist ein möglicher Schaltplan des als Integralregler ausgebildeten Regel Verstärkers ¹IO unter Einbeziehung des Vorverstärkers 39 und des Temperatur-Meßfühlers 37 dargestellt. Der Regelverstärker 40 enthält einen intergrierenden Operationsverstärker 401, dessen mit 402 bezeichneter Ausgang das Ausgangssignal S2 für den Nachlaufregler (s. Fig. 4) liefert und über einen Widerstand 403 mit der Plusleitung IO3 verbunden ist. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 401 liegt über einem Eingangswiderstand 404 am Abgriff eines aus zwei

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R. 07 ¹J C _Ks/Kf

Widerständen 405 und 4O6 bestehenden Spannungsteilers. Im Gegenkopplungspfad des Operationsverstärkers 401 liegt zwischen dem Ausgang 402 und dem invertierenden Eingang ein Integrierkondensator 407.

Der den Sauerstoff-Meßfühler 37 nachgeschaltete Vorverstärker 39 ist über einen Eingangswiderstand 408 mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 4l0 verbunden. Der Operationsverstärker 410 ist mit Hilfe eines Rückkopplungswiderstandes der zwischen dem Ausgang und dem nichtinvertierenden Eingang liegt, als Schwellwertschalter geschaltet. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 410 liegt über einen Eingangswiderstand

412 am Abgriff eines Spannungsteilers, der aus einem Widerstand

413 und einem Trimmwiderstand 4l4 besteht. Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 413 und 4l4 dient dabei als Eingang 102 zur Sollwert-Einstellung (s. auch Fig. 4). Der Sollwert kann dabei mit dem Trimmwiderstand 4l4 eingestellt v/erden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 410 ist über einen Widerstand 415 an die Plus leitung IO3 und über einen Eingangswiderstand 416 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 401 angeschlossen.

Der Sauerstoff-Meßfühler 37 nach Fig. 6 besteht aus einem einseitig verschlossenen Röhrchen 105, das aus einem Pestelektrolyten, z.B. Zirkondioxid durch Sinterung hergestellt ist. Das Röhrchen 105 ist beiderseits mit mikroporösen Platinschichten 106 bedampft. Beide Platinschichten IO6 sind mit Kontakten versehen, Vielehe zu elektrischen Anschlußklemmen 107 und 108 geführt sind. Das Röhrchen 105 wird durch eine Fassung IO9 -in der Wand der Abgasleitung 30 gehalten. Die Fassung IO9 weist eine Bohrung auf, durch welche Außenluft in den Innenraum des Röhr-

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chens 105 eindringen kann. Die Außenfläche des Röhrchens 105 wird vom Abgas umströmt.

In Fig. 7 ist die Ausgangsspannung des Sauerstoff-Mefühlers 37 in Abhängigkeit von der Luftzahl A dargestellt. Der Festelektrolyt ist bei höheren Temperaturen, wie sie im Abgasstrom vorherrschen, sauerstoffionenleitend. Als Festelektrolyt kann z.B. Zirkondioxid verwendet werden. Wenn der Sauerstoffpartialdruck des Abgases vom Sauerstoffpartialdruck der Außenluft abweicht, dann tritt zwischen den beiden Anschlußklemmen 107 und 108 eine Potentialdifferenz auf, deren Verlauf über der Luftzahl Λ durch eine Kurve 110 in Fig. 7 wiedergegeben ist. Diese Potentialdifferenz hängt logarithmisch vom Quotienten der Sauerstoff-Partialdrücke zu beiden Seiten des Festelektrolyten 105 ab. Deshalb ändert sich die Aus gangs spannung des Sauerstoff-Meßfühlers 37 in der Umgebung der Luftzahl Λ =1,0 sprungartig. Oberhalb von λ = 1,0 tritt nämlich im Abgas plötzlich unverbrannter Sauerstoff auf. In Folge der starken Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Meßfühlers von der Luftzahl läßt sich der Sauerstoff-Meßfühler nach Fig. 6 außerordentlich gut zur Ansteuerung des Regelverstärkers UO verwenden.

Im folgenden wird nun die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung anhand der Zeichnung beschrieben.

Da die Wirkungsweise der Regeleinrichtung 25 in ihren an sich bekannten Merkmalen bereits zu Fig. 3 beschrieben wurde, soll jetzt speziell die V/irkungsweise des Stellmotors Ul der Regeleinrichtung 25 am Beispiel eines betriebswarmen, im Vollastbetrieb laufenden Motors erläutert werden. Das Temperaturmeßglied U2, das nur in der Warmlauf-Phase des Motors in die Regelung

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R.

eingreift, steht in einer für den Vollastbetrieb unveränderten Lage. Und wenn die von der Kurvenbahn.62 gesteuerte Luftzahl Λ für den Motor stimmt, ändert auch der Stellmotor ¹Jl nicht seine eingestellte Lage. In diesem Betriebszustand fördert die Einspritzpumpe 21 (s. dazu Pig. I) eine entsprechend der vorbestimmten Luftzahl Λ und entsprechend der Stellung der Drosselklappe 17 von der Regeleinrichtung 25 eingestellte Kraftstoffmenge, die vom Einspritzventil 20 in die Luftansaugleitung 13 eingespritzt wird.

Die Regeleinrichtung 25 übernimmt solange alleine die Steuerung der Luftzahl Λ , bis die Luftzahl von ihrem genau festgelegten und bei der Auslegung der Kurvenbahn 62 des Raumnockens 5^ zugrunde gelegten Viert abweicht. In der Anlage nach Pig. I hat sich als besonders günstig herausgestellt, wenn die Luftzahl λ auf einem stöchiometrisehen.oder geringfügig unterstöchiometrischen Wert Λ =1 oder ca. 0,98 gehalten wird. Dies hat folgenden Grund:

Im katalytischen Reaktor 33 können die Stickoxide, die vorwiegend als NO und NO₂ vorliegen, nur dann reduziert werden, wenn die Abgase eine schwach reduzierende Zusammensetzung aufweisen. Die Luftzahl λ muß daher auf einen unterstöchioinetrischen Wert eingeregelt werden, der kleiner als 1,0 ist. Da unterhalb der Luftzahl Λ = 1,0 mit abnehmender Luftzahl die Abgase immer mehr Kohlenmonoxid unverbrannte Kohlenwasserstoffe enthalten, ist es zweckmäßig, eine Luftzahl einzuregeln, die nur wenig kleiner als 1,0 ist. Wie bereits gesagt, hat sich ein Viert 0,98 als besonders günstig erwiesen. Der Thermoreaktor 32, der sich an die Abgas-Sammelleitung 31 anschließt, dient zur Nachverbrennung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids. Er ist bei der Anlage nach Fig. 1 nur in sehr vereinfachter Form dargestellt. In seinem Inneren herrschen Temperaturen von 600 - 800°C, die zur Einleitung der Nachverbrennung genügen.

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R. ^0?ÖG Κ./ΚΓ

Die Regeleinrichtung arbeitet auch in der gewünschten Weise, wenn kein katalytischer Reaktor 33 vorgesehen ist. Man nimmt dann aber einen höheren Gehalt der Abgase an Stickoxiden in Kauf.

Meldet nun der Sauerstoff-Meßfühler 37 eine Abweichung von der Luftzahl λ = 0,98, dann wird über den Nachlaufregler 100 (s. Fig. M) der Stellmotor Ml angesteuert. Der Stellmotor Ml (s. dazu Fig. 3) verstellt jetzt mit seiner Ausgangswelle 93 über den Spindelantrieb 95 die Lage des Betätigungsbolzens 9M so lange in der erforderlichen Richtung, bis über den Hebel 85, die Stelze 83, den Korrekturhebel 67 und den Zwischenhebel 65 das Fördermengenverstellglied 80 der Einspritzpumpe 21 so weit verschoben ist, daß durch eine Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge die Luftzahl Λ = 0,98 wieder hergestellt ist.

Der Nachlauf regler 39 (s. Fig. M) ist ein Leistungsverstärker, der in an sich bekannter und nicht näher dargestellter Weise so ausgebildet ist, daß er an seinem Ausgang eine positive Ausgangsspannung Ua für den Stellmotor ²Jl abgibt, wenn das Steuersignal S2 bzw. die Ausgangsspannung des Regelverstärkers Ί0 positiver als die des Drehwinkelgebers 96 ist. Eine derartige positve Ausgangsspannung des Nachlaufreglers 100 führt z.B. zu einer Linksdrehung des Stellmotors Ml. Diese Linksdrehung dauert so lange, bis die Ausgangsspannung des Drehwinkelgebers 96 auf den Wert der Ausgangsspannung S2 des Regelverstärkers ¹JO angestiegen ist. Dann gibt der Nachlaufregler 100 keine Ausgangsspannung Ua mehr ab, und der Stellmotor Ml bleibt stehen. Ist dagegen die Ausgangsspannung S2 des Regelverstärkers MO negativer als die des Drehwinkel-

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R. Ks/Kf

gebers 96, dann gibt der Nachlaufregler 100 eine negative Ausgangsspannung für den Stellmotor 4l ab und der Stellmotor 4l dreht sich nach rechts, bzw. in die der ersten Drehrichtung entgegengesetzte Richtung.

Zur Beschreibung eines speziellen Rege!Vorganges sei nun angenommen, daß auf Grund von Ungenauigkeiten in der Bearbeitung des Raumnockens 54 oder durch Abnutzungserscheinungen in den Übertragungsgliedern der Regeleinrichtung 25 und der Einspritzpumpe 21 oder auf Grund von äußeren Einflüssen, wie Luftdruck und Temperatur, die Luftzahl von der-erforderlichen Luftzahl ( λ = 0,98) abweicht. Ist die Luftzahl /{ beispielsweise zu groß, dann gibt der Sauerstoff-Meßfühler 37 eine niedrige Ausgangsspannung ab. Diee wird vom Vorverstärker 39 (s. Pig. 4 und 5) verstärkt« Das Ausgangssignal, bzw. die Ausgangsspannung Sl des Vorverstärkers 39 ist in diesem Fall niedriger als die Spannung am Eingang 102 des als Schwellwertschalter dienenden Operationsverstärkers ¹IlO. Da der Schwellwertschalter 410, 411 über, seinen invertierenden Eingang angesteuert wird, nimmt in diesem Fall die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 410 nahezu den Spannungswert der Plusleitung IO3 an. Diese positive Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 4lo wird auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 401 übertragen. Dieser als Intergrierer arbeitende Operationsverstärker 401 mit seinem Integrierkondensator 407 integriert demzufolge in negativer Richtung. Entsprechend gibt auch der Nachlaufverstärker ipo eine negative Ausgangsspannung Ua an den Stellmotor 4l ab (Fig. 4). Der Stellmotor 41 dreht beispielsweise nach rechts, wodurch der Betätigungsbolzen 94 (s. dazu Fig. 3) etwas nach oben bewegt wird. Dieser Bewegung des Betätigungsbolzens 94 folgt der Hebel 85 sowie die Stelze 83 und der

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_Λ £210775

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Korrekturhebel 67, so daß entsprechend der Steuerkurve 69 über den Zwischenhebel 65 das Fördermengenverstellglied 80 der Einspritzpumpe 21 in Richtung größerer Fördermenge verstellt wird.

Wenn die Fördermenge der Einspritzpumpe 21 genügend weit erhöht ist, sinkt die Luftzahl Λ unter den Wert 0,98 ab und die Ausgangs spannung des Sauerstoff-Meßfühlers 37 steigt stark an. Dementsprechend überschreitet das Ausgangssignal Sl bzw. die Ausgangsspannung des Vorverstärkers 39 das Potential am Eingang 102 des Schwellwertschalters MlO, 411, so daß der Ausgang des Operationsverstärkers ¹JlO auf Minuspotential springt. Da dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ²IOl jetzt eine negative Eingangsspannung zugeführt wird, integriert er in positiver Richtung, über den Nachlaufregler 100 ergibt sich jetzt beispielsweise eine Linksdrehung des Stellmotors ¹Jl, und die Fördermenge der Einspritzpumpe wird über die Regeleinrichtung 25 wieder herabgesetzt.

Der Schwellwert der Luftzahl Λ , der beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel auf 0,98 festgelegt war, kann selbstverständlich auch auf einen anderen Wert eingestellt werden, wenn man den Trimmwiderstand ¹Jl¹J (s. Fig. 5) verstellt.

Die vorstehend beschriebene, durch den Sauerstoff-Meßfühler 37 angesteuerte Regeleinrichtung 25 hat gegenüber anderen bekannten Regeleinrichtungen für das Luft-Kraftstoff-Gemisch, bei denen der Sauerstoff-Meßfühler praktisch alleine das Luft-Kraftstoff-Verhältnis steuern muß, den großen Vorteil, daß

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hier lediglich eine Korrektur der Luftzahl λ erfolgt, die mit größtmöglicher Genauigkeit bereits durch den Raumnocken 54 der Regeleinrichtung 25 vorbestimmt ist.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß der Eingriff proportional erfolgt, so daß bei einer Korrektur von A oder bei einer Änderung des atmosphärischen Druckes die Regeleinrichtung in der eingestellten und korrigierten Position stehen bleiben kann, wenn Laständerungen vorgenommen werden. Im Gegensatz dazu müssen Korrekturen, die additiv erfolgen, wie sie beispielsweise für Vergaser bekennt sind, für jeden -Lastzustand unterschiedlich eingeregelt v/erden.

Der Sauerstoff-Meßfühler 37 arbeitet, wie bekannt, nur im heißen Zustand. Die Abgase sollten etwa eine Temperatur von 800 C haben, was beim Starten des Motors noch nicht der Fall ist. Während der Warmlauf-Phase des Motors wird die Luftzahl λ , wie bereits angedeutet, von dem von der Kühlmitteltemperatur des Motors beeinflußten Temperaturmeßglied k2 (s. Pig. 1 und 3) gesteuert. Diese Steuerung ist an sich bekannt und wird deshalb im vorliegenden Rahmen nicht näher beschrieben.

Anstelle des vom Nachlaufregler 100 geregelten und als Getjriebemotor ausgebildeten Stellmotors 4l kann auch, falls die Stellkräfte genügen, ein mit einem mechanischen Rückstellglied (Drehfeder) ausgestatteter Stellmotor (Drehmagnet) verwendet werden, der dann zur Ansteuerung einen einfachen Steuersignalgeber benötigt (nicht dargestellt).

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Claims

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2.3.1972 2210775

Ansprüche

II. !Regeleinrichtung für das Luft-Kraftstoff-Gemisch bei mit Fremdzündung arbeitenden Einspritzbrennkraftmaschinen, mit einem drehzahlabhängig arbeitenden Verstellglied, dessen Verstellbewegungen unter Zwischenschaltung eines Raumnockens über mindestens zwei hintereinander geschaltete Zwischenhebel auf dasFördermengenverstellglied der Einspritzeinrichtung übertragbar sind, wobei der Drehpunkt des zweiten Zwischenhebels auf einem Karrekturhebel angeordnet ist, an den vorzugsweise zwei von Betriebsgrößen des Motors abhängige Stellglieder angreifen, von denen eines ein von der Kühlmitteltemperatur des Motors beeinflußtes Temperaturmeßglied ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Stellglied ein elektrischer Stellmotor {Hl) ist, der von einem Ausgangssignal (Sl) eines in der Abgasleitung (30) des Motors angeordneten Sauerstoff-Meßfühlers (37) über einen Regelverstärker (40) derart ansteuerbar ist, daß das durch die Form des Raumnockens (5Όfestgelegte Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff (Luftzahl Λ ) im warmen Zustand des Motors unabhängig von den sich ändernden Betriebsbedingungen auf dem festgelegten Wert gehalten wird.

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2. Regeleinrichtung nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker (¹IO) als Intergralregler ausgebildet ist, der einen Eingang (102) ζ uv Vorgabe des Sollwertes der Luftzahl A aufweist und einen swaiten Eingang hat, an den der Sauerstoff-Meßfühler (37) angeschlossen ist (Fig. 4 und 5).
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daft zwischen dem Regelverstärker (40) und dem Stellmotor (41) ein Nachlaufregler (100) angeordnet ist, dessen Ausgangsspannung (Ua) zur Erzeugung verschiedener Drehriehtungeη des Stellmotors (41) positive und neag^ive Vierte annimmt;_s und daß der elektrische Ausgang eines mit Ce^ Austj,-nasvi: 13β (f?"^;;5^-;~ Stellmotors (41) verbundenen Drehwinkels bars (9b) üa'o eines Vergleichseingang (101) des Nachlaufreglers (100) verbunden ist (Fig.4).
4. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (41) e5.ii Getriebe (92) hat, dessen Ausgangswelle (93) höchstens eine Umdrehung macht und dabei den maximalen Stellweg (Hmax) eines Eetäfeigungsbolzens (94) des Stellmotors (kl) erzeugt (Pig. 33 *

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5. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker (ΊΟ) als Integralregler einen Operationsverstärker (¹JOlX enthält, zwischen dessen Ausgang (102) und invertierendem Eingang

ein Integrierkondensator (l»07)'liegt, und daß der Sauerstofffr

Meßfühler (37) über einen Vorverstärker (39) und einen als Schwellwertschalter dienenden Operationsverstärker (410) mit dem invertierenden Eingang des als Integrierer geschalteten Operationsverstärkers (401) verbunden ist, (Fig. 5).
6. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (30) mit einer Abgasentgiftungseinrichtung (35» 32, 33) versehen ist und

auf

die Luftzahl /einem stöchiometrischen oder geringfügig unterstöchiometrischen Wert ( Λ -1 oder ca. 0,98) gehalten wird.
7. Regeleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasentgiftungseinrichtung (35) aus einem zur Verbrennung des Kohlenmonoxids und der Kohlenwasserstoffe dienenden Thermoreaktor (32) und einem katalytischer! Reaktor (33) zur Reduktion der Stickoxide besteht.

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Ii 4 i, O

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8. Regeleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff-Meßfühler (37) zwischen dem Thermoreaktor (32) und dem katalytischen Reaktor (33) angeordnet ist.
9. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff-Meßfühler (37) aus einem sauerstoffionenleitenden Pestelektrolyten (105) - vorzugsweise Zirkondioxid - besteht, der beiderseits mit mikroporösen Platinschichten (106) bedampft ist, dasß eine der Platinschichten (106) mit der Außenluft und die andere mit den Abgasen in Berührung steht, daß das Ausgangssignal (Sl) des Sauerstoff-Meßfühlers (37) an mit den beiden Platinschichten (106) verbundenen Anschlußklemmen (107, 108) abnehmbar ist, und daß der Festelektrolyt (105) nicht direkt mit den Abgasen in Berührung steht (Fig. 6).

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