DE2229928B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von Brennkraftmaschinen

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DE2229928B2 DE2229928A DE2229928A DE2229928B2 DE 2229928 B2 DE2229928 B2 DE 2229928B2 DE 2229928 A DE2229928 A DE 2229928A DE 2229928 A DE2229928 A DE 2229928A DE 2229928 B2 DE2229928 B2 DE 2229928B2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Brennkraftmaschinen mit elektronisch gesteuerter Kraftstoff-Einspritzung, durch Regelung des Masser.verhältnisses des der Brennkraftmaschine zueeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches (Α-Regelung) mit Hilfe einer im Abgasstrom der Brennkraftmaschine angeordneten Abgas-Meßsonde, die eine Integriereinrichtung ansteuert, wobei das Ausgangssignal der Abgas-MeQsonde an einen Schwellwertschalter angelegt wird und diesen bei Erreichen des Schwellwertes umschaltet und daß mit dem Umschalten des Schwellwertschalters die Integrationsrichtung der Integriereinrichtung geändert wird.
Ausgehend von einem derartigen Verfahren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches weiter zu verbessern und Trägheiten des Regelsystems zu vermindern. Außerdem soll bei dem Verfahren die veränderlichen Totzeiten im Regelkreis, die durch den
ι5 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
■?o der Erfindung dadurch gelöst, daß in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, insbesondere in Abhängigkeit von der Ansaugluftmenge der Brennkraftmaschine, die Zeitkonstante der Integriereinrichtung geändert wird.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu entwickeln. Diese Vorrichtung soll einfach und preisgünstig in ihrem Aufbau sein und auch unter den rauhen Betriebsbedingungen in einem Kraftfahrzeug
μ 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 der Integriereinrichtung angeschlossen ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in
4(i Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den zagehörigen Zeichnungen. Es zeigt
F i g. 1 in einem Diagramm den \ erlauf der Sondenspannung über der Zeit t und das dazugehörige Ausgangssignal am Ausgang des Regelverstärkers,
F i g. 2 ein Blockschaltbild der Regeleinrichtung und
F i g. 3 einen Stromlaufplan einer Einrichtung zur Regelung der Luftzahl λ.
In Fig. 1 ist der mögliche Verlauf der Ausgangsspan-
r>" nung einer im Auspuffsystem einer weiter nicht dargestellten Brennkraftmaschine angeordneten Abgas-Meßsonde über der Zeit f aufgezeichnet. Aus diesem Kurvenverlauf ist zu erkennen, daß bei Änderung der Luftzahl λ um den Wert λ = 1 das
v> Ausgangssignal der Sonde rasch zwischen zwei Endwerten wechselt. Dabei ist die Luftzahl λ so definiert, daß bei stöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Gemisch λ den Wert 1,0 annimmt. Die Luftzahl λ gibt das Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff an. Bei
h(l magerem Gemisch ist die Luftzahl größer als 1,0 und bei fettem Gemisch kleiner als 1,0. Wird nun, wie in Fig. 1 angedeutet, die Luftzahl λ um einen relativ großen Wert verändert, wie es beispielsweise bei der Beschleunigung von Brennkraftmaschinen der Fall sein kann, dann bleibt
hr> das Ausgangssignal der Abgas-Meßsonde über eine längere Zeit konstant auf einem Endwert. Unter diesem Verlauf der Sondenspannung über 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 λ immer in Richtung au) eine Luftzahl λ = 1 verstellt wird. Dies geschieht dadurch, daß durch eine geeignete Zündeinrichtung da; Massenverhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches verändert wird. Bleibt dagegen, wie in F i g. 1 bei a angedeutet, die Sondenspannung längere Zeit auf e:nem gleichen Endwert, dann würde es sehr lange dauern, bis die Luftzahl λ wieder auf den Wert λ = 1 eingeregelt wird. Das Ausgangssignal des Reglers ist für diesen Fall bei b angedeutet
Wenn sich nun bei starker Beschleunigung der Brennkraftmaschine die durch das Ansaugrohr der Brennkraftmaschine strömende Luftmenge stark ändert, dann kann man mit einem diese Änderung (.harakterisierenden elektrischen Signal die Zeitkonstante des Regelverstärkers ändern, so daJ die Luftzahl Λ schneller auf den gewünschten Wert nachgeregelt wird. Der Verlauf des Ausgangssignals des Regelverstärkers für diesen Fall ist in F i g. 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 Regelversi rkers in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine und der dadurch ausgelösten Änderung der Zeitkonstante des Regelverstärkers die Nachregelung der Luftzahl λ 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 Integraiverhalten 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 Steuerklappe 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 i.ionostabiler 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, der in der Steuereinrichtung eingreift und beispielsweise die Dauer des instabilen Schaltzustandes 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 14 betätigt, die über einen Verstärker 15 und einen Schwellwertschalter 16 mit der Schalteinrichtung 11 verbunden ist.
Ein Stromlaufplan der in F i g. 2 in Biockdarstellung gezeigten Vorrichtung ist in F i g. 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
ίο dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 ist ein Widerstand 21 verbunden, der an den Abgriff eines aus Widerständen 22 und 23 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 verbundea Ebenfalls mit dem Eingangswiderstand 20 ist der Kollektor eines Transistors 28 verbunden, dessen Emitter mit dem Eingang des Umkehrverstärkers 26 verbunden ist. Die Basen der beiden Transistoren 27 und 28 sind über Basisvorwiderstände 29 und 30 mit dem Ausgang eines
ίο Operationsverstärkers 31 verbunden, der zusammen mit einem Rückkopplungswiderstand 32 und einem Ausgangswiderstand 33, sowie Eingangswiderständen 34 und 35 den Schwellwertschalter 16 bildet. Der Eingangswiderstand 35 ist dabei mit dem invertierenden
j"> Eingang des Operationsverstärkers 31 und der Eingangswiderstand 34 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 31 verbunden. Der Eingangswiderstand 34 ist weiterhin an den Abgriff eines aus Widerständen 36 und 37 bestehenden
4(i Spannungsteiler angeschlossen, der einerseits mit der Versorgungsleitung 24 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. Miit dem Ausgang des
>r) 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 Schaltanord-
w) nung 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 14 eine niedrige Ausgangsspan-
b5 nung ab. Diese wird von dem V^rstärkeΓ 38 verstärkt. Die verstärkte Ausgangsspannung des Verstärkers 38 ist in diesem Fall niedriger als die Spannung am Verbindungspunkt der Widerstände 36 und 37. Da der
Operationsverstärker 31 des Schwellwertschalters 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 17 übertragen. Der 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.
Ist nun das Stellglied genügend weit verstellt, so daß die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge oder verminderte Benzinmenge zur Unlerschreitung des gewünschten λ-Wertes geführt hat, steigt die Ausgangsspannung der Abgas-Meßsonde 24 entsprechend dem Kurvenzug in F i g. 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 zugeführt. Da dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 demzufolge 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 Stromlaufplanes nach Fig.3 hervorgeht, bestimmt die Ausgangsspannung der Abgas-Meßsonde 14 über den Schwellwertschalter 16 nur die Richtung, in welcher sich die Ausgangsspannung des Regelverstärkers 10 langsam verschiebt. Dagegen bestimmt das wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine bestimmende Eingangssignal des Umkehrverstärkers 26 dii Geschwindigkeit, mit der sich die Ausgangsspannunj des Regelverstärkers 10 ändert. Wenn also de Brennkraftmaschine eine große Luftmenge zugeführ r> wird, dann liegt am Eingang des Regelverstärkers eini große positive oder negative Eingangsspannung an, s< daß sich das Ausgangssignal des Operationsverstärker 17 schnell in negativer bzw. positiver Richtunj verschiebt. Diese Verschiebung geschieht wesentlicl
κι langsamer wenn die der Brennkraftmaschine zugeführt! Luftmenge nur wenig geöffnet ist und wenn demzufolgi nur eine niedrige Eingangsspannung am invertierendei Eingang des Operationsverstärkers anliegt. Damit wire in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter de
■ 5 Brennkraftmaschine die Nachregeiung der LufUähi Ί auf schnelle Art und ohne wesentliche Verzögerungei erreicht.
Besonders zweckmäßig ist eine derartige Einrichtunj bei Brennkraftmaschinen, die mit elektronisch gesteuer ter Benzineinspritzung arbeiten. Bei diesen Kraftstoff einspritzeinrichtungen, die wenigstens ein elektroma gnetisch betätigbares Einspritzventil aufweisen, vor denen je eines einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet ist, wird das Einspritzventil geöffnet und füi eine die jeweilige Einspritzmenge bestimmende Zeit dauer geöffnet gehalten. Die Öffnungszeit wird dabe durch einen Energiespeicher bestimmt, der mit einen Luftmengenmesser zusammenarbeitet, wobei eine ii der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine angeordne
3" te Stauscheibe vorgesehen ist, die entgegen eine Rückstellkraft durch den Ansaugluftstrom verstellba ist, und die Mittel aufweist, mit denen der von diesen Luftmengenmesser erfaßte zeitliche Mittelwert de Ansaugluftmenge in eine zu der pro Hub entfallendei
J5 Luftmenge proportionale an dem elektrischen Energie speicher auftretende elektrische Größe umgewandel wird. Bei diesen Einrichtungen wird also die Einspritz dauer in Abhängigkeit von der der Brennkraftmaschin! zugeführten Luftmenge beeinflußt Da nun der Luftmen
"o genmesser ohnehin ein Signal liefert, das in de Steuereinrichtung für die Kraftstoffeinspritzung beein flußt wird, ist es zweckmäßig, dieses Signal auch bei de: in dieser Anmeldung beschriebenen Anordnung zi verwenden, d. h. es dem Umkehrverstärker 26 zuzufüh ren. Somit ist für die Erfassung eines geeignetei Betriebsparameters kein zusätzlicher Aufwand erfor derlich.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 Patentansprüche:
1. Verfahren zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Brennkraftmaschinen 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 eine Integriereinrichtung 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 Schwellwertschalters die Integrationsrichtung der Integriereinrichtung geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, insbesondere in Abhängigkeit von der Ansaugluftmenge der Brennkraftmaschine, die Zeitkonstante der Integriereinrichtung (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 der Integriereinrichtung (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
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (II) zwei Strompfade aufweist, die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Schwellwertschalters (16) wechselweise an den einen Eingang der Integriereinrichtung (10) angeschlossen sind, wouei über den einen Strompfad das wenigstens einen Betriebsparameter kennzeichnende elektrische Signal direkt und über den anderen Strompfad mit umgekehrtem Vorzeichen an den Eingang der Integriereinrichtung (10) angelegt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang des Schwellwertschalters (16) die Steuerelektroden von zwei Schalttransistoren (27, 28) verbunden sind, deren Ausgangselektroden mit dem Eingang der Integriereinrichtung (10) verbunden sind, wobei an die dritte Elektrode des einen Schalttransistors (28) das wenigstens einen Betriebsparameter kennzeichnende elektrische Signal und an die dritte Elektrode des anderen Schalttransistors (27) das mit Hilfe eines Umkehrverstärkers (26) invertierte, wenigstens einen Betriebsparameter kennzeichnende elektrische Signal angelegt ist.
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