DE2229928A1 - Verfahren und vorrichtung zur verminderung von schaedlichen anteilen der abgasemission von brennkraftmaschinen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verminderung von schaedlichen anteilen der abgasemission von brennkraftmaschinen

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Description

15.6.1972 Ka/Dr
Anlage zur
Patentanmeldung
ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart 1
Verfahren und, Vorrichtung zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von Brennkraf t-mas chinen mit elektronisch gesteuerter Kraftstoff-Einspritzung durch Regelung des Massenverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches ( λ-Regelung) mit Hilfe einer im Abgasstrom der Brennkraftmaschine angeordneten Abgas-Meßsonde, die einen Regelverstärker mit Integralverhalten ansteuert, wobei das Aus gangs signal der Ab-gas-Meßsonde an einen ersten Schwellwertschalter angelegt wird und diesen bei Erreichen des Schwellwertes umschaltet und daß mit dem Umschalten des Schwellwertschalters die Integrationsrichtung des Regelverstärkers geändert wird.
Ausgehend von einem derartigen Verfahren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-
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Stuttgart - 777c\°i'?e\
Luft-Gemisches weiter zu verbessern und Trägheiten des Regelsystems zu vermindern. Außerdem soll bei dem Verfahren die veränderlichen Totzeiten im Regelkreis, die durch den Weg des Kraftstoff-Luft-Gemisches vom Einlaßventil zum Auslaßventil und durch den Weg des Abgases vom Auslaßventil bis zu der im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine angeordneten Abgas-Meßsonde bedingt sind, berücksichtigt werden. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, insbesondere in Abhängigkeit von der Ansaugluftmenge der Brennkraftmaschine, die Zeitkonstante des Regelverst'irkers geändert wird.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu ent\iickeln. Diese Vorrichtung soll einfach und preisgünstig in ihrem Aufbau sein und auch unter den rauhen Betriebsbedingungen in einem Kraftfahrzeug einwandfrei und sicher arbeiten. Außerdem sollen die einzelnen Baugruppen der Regeleinrichtung mit möglichst geringer Totzeit arbeiten,· so daß Trägheiten der Regeleinrichtung weitgehend vermieden werden sollen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Ausgang des Schwellwertschalters mit einer Schalteinrichtung verbunden ist, die an einen Eingang des Regelverstärkers angeschlossen ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige V.'eiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den zugehörigen Zeichnungen.
Es zeigen:
Pig. ί in einem Diagramm den Verlauf der Sondenspannung über
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Stuttgart
der Zeit t und das dazugehörige Ausgangssignal am Ausgang des Regelverstärkers,
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Regeleinrichtung und Fig. 3 einen Stromlaufplan einer Einrichtung zur Regelung der Luftzahl X .
In Fig. 1 ist der mögliche Verlauf der Ausgangsspannung einer im Auspuffsystem einer weiter nicht dargestellten Brennkraftmaschine, angeordneten Abgas-Meßsonde über der Zeit t aufgezeichnet. Aus diesem Kurvenverlauf, ist zu erkennen, daß bei Änderung der· Luft zahl X um den Wert X-I das. Ausgangssignal der Sonde rasch zwischen zwei Endwerten wechselt. Dabei ist die Luftzahl X so definiert, daß bei stöchiometrisehern Luft-Kraftstoff-Gemisch X den Wert 1,0 annimmt. Die'Luftzahl X gibt das Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff an. Bei magerem Gemisch ist die Luftzahl größer als 1,0 und bei fettem Gemisch kleiner als 1,0. Wird nun, wie in Fig. 1 angedeutet s die Luftzahl X um einen relativ großen, Viert verändert, wie es beispie lsweise bei der Beschleunigung von Brennkraftmaschinen der Fall sein kann, dann bleibt das Ausgangssignal der Abgas-Meßsonde über eine längere Zeit konstant auf einem Endwert. Unter diesem Verlauf der Sondenspannung, üher der Zeit t ist das Ausgangssignal an einem Regelverstärker dargestellt. Dieser Regelverstärker weist Integralverhalten auf. Bei jedem Nulldurchgang der Sondenspannung wird die Integrationsrichtung des Regelverstärkers geändert, so daß die Luftzahl dimmer in Richtung auf eine Luftzahl % - 1 verstellt wird. Dies geschieht dadurch, daß durch eine geeignete Zündeinrichtung das Massenverhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches verändert wird. Bleibt dagegen, wie in Fig. bei a angedeutet, die Sondenspannunp; längere Zeit auf einem gleichen Endviert, dann würde es sehr lange dauern, bis die Luftzahl X wieder auf den Viert X = 1 eingeregelt wird. Das Ausgangssignal des Reglers ist für diesen Fall bei b angedeutet.
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Wenn sich nun bei starker Beschleunigung der Brennkraftmaschine die durch das Amaugrohr der Brennkraftmaschine strömende Luftmenge st.ark ändert, dann kann man mit einem diese Änderung charakterisierenden elektrischen Signal die Zeitkonstante des Regelverstärkers ändern, so daß die Luftzahl X schneller auf den gewünschten Wert nachgeregelt wird. Der Verlauf des Ausgangssignals des Regelverstärkers für diesen Fall ist in Fig. 1 bei c angedeutet. Daraus ist ersichtlich, daß der Endwert, bei dem die Sondenspannung wieder ein der Luftzahl
λ = 1 entsprechendes Signal liefert zu einem wesentlich' früheren Zeitpunkt erreicht wird. Damit kann durch Änderung der Zeitkonstante des Regelverstärkers in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine und der dadurch ausgelösten Änderung der Zeitkonstante des Regelverstärkers die Nachregelung der Luftzahl X auf einen gewünschten Wert entsprechend schneller gemacht werden.
In Fig. 2 ist in Blockdarstellung eine Vorrichtung gezeigt, mit der die Zeitkonstante eines RegelVerstärkers 10 geändert werden kann. Dieser Regelverstärker 10 weist Integralverhalten auf und betätigt ein Stellglied, das zur Beeinflussung des Massenverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches dient. Das Stellglied kann dabei in einem einfachen Fall eine Steuerklappe in einem Bypass zu dem Ansaugrohr der weiter nicht dargestellten Brennkraftmaschine sein, wobei je nach Stellung dieser Steuerlclappe der Brennkraftmaschine mehr oder weniger Luft zugeführt wird. Das Massenverhältnis des Kraftstoff-Luft-Gemisches kann auch durch Veränderung der Kraftstoffmenge beeinflußt werden. Bei einer elektronisch gesteuerten Benzineinspritzung ist zur Zumessung der Kraftstoffmenge ein monostabiler Multivibrator vorgesehen, der über die Dauer des instabilen Schaltzustandes die einzuspritzende Kraftstoffmenge bestimmt. Im einfachsten Fall kann bei einer derartigen Anordnung ein Widerstand als Stellglied vorgesehen sein, derein der Steuereinrichtung eingreift und beispielsweise die Dauer des instabilen Sehallzu-
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Standes des Multivibrators beeinflußt.
Mit dem Eingang des Regelverstärkers 10 ist über eine direkte Leitung eine Schalteinrichtung 11 verbunden, wobei außerdem eine Leitung von der Schalteinrichtung 11 über einen 1 : 1-Umkehrverstärker 12 zu dem Eingang des Regelverstärkers 10 führt. Mit dem Eingang der Schalteinrichtung 11 ist 'wenigstens ein Meßfühler 13 verbunden, der ein wenigstens einen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine charakterisierendes elektrisches Signal liefert. Die Schalteinrichtung 11 wird in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal einer Abgas-Meßsonde 1*1 betätigt, die über einen Verstärker 15 und einen Schwellwertschalter 16 mit der Schalteinrichtung 11 verbunden ist.
Ein Stromlaufplan der in Fig. 2 in Blockdarstellung gezeigten Vorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Der Regelverstärker 10 weist dabei einen Operationsverstärker 17 auf, zwischen dessen Ausgang und dessen invertierenden Eingang ein Integrierkondensator 18 geschaltet ist. Außerdem ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 17 ein Widerstand 19 verbunden. Dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 ist ein Eingangswiderstand 20 vorgeschaltet und mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 ist ein Widerstand 21 verbunden, der an den Abgriff eines aus Widerständen 22 und bestehenden Spannungsteilers angeschlossen ist. Dieser Spannungsteiler aus den Widerständen 22 und 23 ist zwischen eine gemeinsame Versorgungsleitung 24 und eine gemeinsame Versorgungsleitung 25, in diesem Fall eine Masseleitung, geschaltet.
über den Eingangswiderstand 20 ist die Schalteinrichtung 11 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 verbunden. Die Schalteinrichtung weist einen 1 : 1-Umkehrverstärker 26 auf, dessen Ausgang mit dem Emitter eines Transistors 27 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 27 ist mit dem Eingangswiderstand 20 verbunden. Ebenfalls mit dem Eingangswiderstand 20 ist der Kollektor eines Transistors 28 verbunden,
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dessen Emitter mit dem Eingang des Umkehrverstärkers 26 verbunden i3t. Die Basen der beiden Transistoren 27 und 28 sind über Basisvorwiderstände 29 und 30 mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 31 verbunden, der zusammen mit einem Rückkopplungs widerstand 32 und einem Ausgangswiderstand 33j sowie Eingangswiderständen 3^ und 35 den Schwellwertschalter 16 bildet. Der Eingangswiderstand 35 ist dabei mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 31 und der Eingangswiderstand 31I mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 31 verbunden. Der Eingangswiderstand J>h ist weiterhin an den Abgriff eines aus Widerständen 36 und 37 bestehenden Spannungsteiler angeschlossen, der einerseits mit der Versorgungsleitung 2h und andererseits mit der Versorgungsleitung 25 verbunden ist. über den Eingangswiderstand 35 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 31 ein Verstärker 38 verbunden, der mit der Abgas-Meßsonde 14, die zweckmäßigerweise eine Sauerstoff-Meßsonde ist, verbunden. Der zweite Anschluß der Sauerstoff-Meßsonde 14 ist mit der Masseleitung 25 verbunden.
An den Eingang des 1 : 1-Umkehrverstärkers 26 der Schalteinrichtung 11 wird nun ein Signal angelegt, das die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge oder beispielsweise die Drehzahl der Brennkraftmaschine oder wenigstens einen anderen Parameter der Brennkraftmaschine kennzeichnet. Mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 17, d. h. mit der Ausgangsklemme 39 ist ein Stellglied zur Veränderung des Massenverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches verbunden.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltanordnung ist folgende. Es sei zunächst angenommen, daß das der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch zu mager sei, dies bedeutet, daß der Brennkraftmaschine zu viel Luft zugeführt wird. In diesem Fall gibt die Abgas-Meßsonde lh eine niedrige Ausgangsspannung ab. Diese wird von»dem Verstärker 38 verstärkt. Die
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verstärkte Ausgangsspannung des Verstärkers 38 ist. in diesem Fäll niedriger als die Spannung am Verbindungspunkt der Widerstände 36 und 37· Da der Operationsverstärker 31 des Schwellwertschalter 16 über den invertierenden Eingang angesteuert wird, nimmt in diesem Fall die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 31 nahezu den Spannungswert der gemeinsamen Zuleitung 24 an. Diese Ausgangsspannung ist demnach positiv und steuert über den Widerstand 30 den Transistor 28 der Schalteinrichtung 11 in den leitenden Zustand. Ein positives Signal, das die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge kennzeichnet, wird nunmehr über den Transistor 28 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers übertragen. D«r Integralverhalten aufweisende Regelverstärker 10 integriert demzufolge in negativer Richtung. Entsprechend wird auch das Stellglied so beeinflußt» daß die Luftmenge, die der Brennkraftmaschine zugeführt wird, verringert wird.'
I3t nun das Stellglied genügend weit verstellt, so daß die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge oder verminderte Benzinmenge zur Unterschreitung de3 gewünschten λ-Wertes geführt hat, steigt die Aus gangs spannung der Abgas-Meßsbnde Ik entsprechend dem Kurvenzug in B'ig. 1 stark an. Deshalb Überschreitet auch das Ausgangssignal des Verstärkers 38 das Potential am Verbindungspunkt der Widerstände 36 und 37» so daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 31 negativ wird. Durch dieses negative Signal wird der bisher leitende Transistor 28 gesperrt, während der bisher gesperrte Transistor 27, der vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie der Transistor 28 ist, leitend wird. Der Umkehrverstärker 26, der eine Verstärkung von ν = -1 aufweist, wird deshalb das Eingangssignal des Umkehrverstärkers umkehren. Dieses invertierte Signal wird über den Transistor 27 und den Eingangswiderstand 20 dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 des Regelverstärkers 10 zußeführt. Da dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 dem-
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zufolge eine negative Eingangsspannung zugeführt wird, integriert er in positiver Richtung, über das Stellglied wird deshalb die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge nun wieder vergrößert oder Benzinmenge verkleinert. Wie aus der vorstehenden Beschreibung des Stromlaufρlanes nach Fig. 3 hervorgeht, bestimmt die Ausgangsspannung der Abgas-Meßsonde 1*1 über den Schwellwertschalter 16 nur die Richtung, in welcher sieh die Ausgangsspannung des Regelverstärkers 10 langsam verschiebt. Dagegen bestimmt das wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine bestimmende Eingangssignal des Umkehrverstärkers 26 die Geschwindigkeit, mit der sich die Ausgangsspannung des Regelverstärkers 10 ändert. VJenn also der Brennkraftmaschine eine große Luftmenge zugeführt' wird, dann liegt am Eingang des Regelverstärkers eine große positive oder negative Eingangsspannung an, so daß sich das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 17 schnell in negativer bzw. positiver Richtung verschiebt. Diese Verschiebung geschieht wesentlich langsamer wenn die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge nur wenig geöffnet ist und wenn demzufolge nur eine niedrige Eingangsspannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers anliegt. Damit wird in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine die Nachregelung der Luftzahl *· auf schnelle Art und ohne wesentliche Verzögerungen erreicht.
Besonders zweckmäßig ist eine derartige Einrichtung bei Brennkraftmaschinen, die mit elektronisch gesteuerter Benzineinspritzung arbeiten. Bei diesen Kraftstoffeinspritzeinrichtungen, die wenigstens ein elektromagnetisch betätigbares Einspritzventil aufweisens von denen je eines einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet ist, wird das Einspritzventil synchron zu den Kurbelwellenumdrehungen der Brennkraftmaschine geöffnet und für eine die jeweilige Einspritzmenge bestimmende Zeitdauer geöffnet gehalten. Die Öffnungszeit wird dabei durch
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einen Energiespeicher bestimmt, der mit einem Luftmengenmesser zusammenarbeitet, wobei eine in er Ansaugleitung der Brennkraftmaschine angeordnete Stauscheibe vorgesehen ist, die entgegen einer Rückstellkraft durch den Ansaugluftstrom verstellbar ist, und die" Mittel aufweist, mit denen der von diesem, Luftmengenmesser erfaßte zeitliche Mittelwert der Ansaugluftmenge in eine zu der pro Hub entfallenden Luftmenge proportionale an dem elektrischen Energiespeicher auftretende elektrische Größe umgewandelt wird. Bei diesen Einrichtungen wird also die Einspritzdauer in Abhängigkeit von der der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmenge beeinflußt. Da nun der Luftmengenmesser ohnehin ein Signal liefert, das in der Steuereinrichtung für die Kraftstoffeinspritzung beeinflußt wird, ist es zweckmäßig, dieses Signal auch bei der in dieser Anmeldung beschriebenen Anordnung zu verwenden, d. h. es dem Umkehrverstärker 26 zuzuführen. Somit ist für die Erfassung eines geeigneten Betriebsparatmeters kein zusätzlicher Aufwand erforderlich.
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Claims (4)

- 10 Robert Bosch GmbH R.° Ka/Dr StuttEart ■ 2229928 Ansprüche
1.) Verfahren zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von Brennkraftmaschinen mit elektronisch gesteuerter Kraftstoff-Einspritzung durch Regelung des Massenverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches ( /L-Regelung) mit Hilfe einer im Abgasstrom der Brennkraftmaschine angeordneten Abgas-Meßsonde, die einen Regelverstärker mit Integralverhalten ansteuert, wobei das Ausgangssignal der Abgas-Meßsonde an einen Schwellwertschalter angelegt wird und diesen bei Erreichen des Schwellwertes umschaltet und daß mit dem Umschalten des Schwellwertsehalters die Integrationsrichtung des Regelverstärkers geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, insbesondere in Abhängigkeit von der Ansaugluftmenge der Brennkraftmaschine, die Zeitkonstante des Regelverstärkers (10) geändert wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Schwellwertschalters (16) mit einer Schalteinrichtung (11) verbunden ist, die an einen Eingang des Regelverstärkers (10) angeschlossen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an
die Schalteinrichtung (11) ein wenigstens einen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine kennzeichnendes elektrisches Signal
angelegt ist. 309883/0070
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Stuttgart ■ - 2229928
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (11) zwei Strompfade aufweist, die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des. Schwellwertschalters (16) wechselweise an den einen Eingang des Integralreglers (10) angeschlossen sind, wobei Über den einen Strompfad das wenigstens einen Betriebsparameter kennzeichnende elektrische Signal direkt und über den anderen Strompfad mit umgekehrtem Vorzeichen an den Eingang des Integralreglers (10) angelegt ist.
5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 1J, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang des Schwellwertschalters (16) die • Steuerelektroden von zwei Schalttransistoren (27, 28) verbunden sind, deren Ausgangselektroden mit dem Eingang des Integralreglers (10) verbunden sind, wobei an die dritte Elektrode des einen Schalttransistors (28) das wenigstens einen Betriebsparameter kennzeiehende elektrische Signal und an die dritte Elektrode des anderen Schalttransistors (2J) das mit Hilfe eines Umkehrverstärkers (26) invertierte, wenigstens einen Betriebsparameter kennzeichnende elektrische Signal angelegt ist.
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