DE2265334C2 - Verfahren zur Verringerung des Schadstoffgehaltes in den Abgasen einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des Schadstoffgehaltes in den Abgasen einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und einer Gemischerzeugungsanlage für das in den Brennräumen der Brennkraftmaschine zur Verbrennung kommende Betriebsgemisch, wobei die Betriebsgemischzusammensetzung in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine auf einen gewünschten Wert mit Hilfe einer Steuer- oder Regeleinrichtung gehalten wird.

Durch die DE-AS 11 86 266 ist es bekannt, im Leerlaufbereich einer 2-Takt-Brennkraftmaschine durch übermäßige Luftzufuhr einen Teil der Zylinder stillzulegen und den anderen Teil der Zylinder mit erhöhter Ladungsmenge zu betreiben. Solche 2-Takt-Brennkraftmaschinen haben bekannterweise den Nachteil, daß im Leerlauf insbesondere auch wegen der mangelhaften Spülung der Brennräume starke Drehzahlschwankungen auftreten. Mit der Stillegung eines Teils der Zylinder kann die Last der übrigen Zylinder und damit auch das Gaswechselvolumen erhöht werden. Die Luftzufuhr erfolgt dabei an einer bestimmten Stelle des Saugverteilers, wobei es den dynamischen Verhältnissen im Saugsystem überlassen ist, welchen der Zylinder ein ausreichend abgemagertes Gemisch zugeführt wird, um die Stillsetzung dieser Zylinder zu bewirken. Insbesondere läßt sich bei dieser bekannten Einrichtung ein gewünschter Wert der Betriebsgemischzusammensetzung in den verschiedenen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine einhalten. Es ist gleichfalls durch die DE-OS 15 76 310 bekannt, im Leerlauf bei schnellaufenden Dieselmotoren mit hoher Zylinderzahl eine stabile Leerlaufdrehzahl dadurch zu erzielen, daß

ein Teil der Arbeitszylinder durch Unterbrechen der Kraftstoffzufuhr abgeschaltet wird, während die übrigen Zylinder mit erhöhter Last betrieben werden.

Bei keiner der bekannten Einrichtui.gen wird dafür Sorge getragen, daß in allen Betriebsbereichen eine optimale, gewünschte Abgaszusammensetzung eingehalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem bekannten Verfahren Maßnahmen zu treffen, durch die es gewährleistet ist, daß in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine den Zylindern ein zündfähiges Betriebsgemisch zugeführt wird und eine Abgaszusammenseizung erzielt wird, die möglichst geringe Anteile aller Hauptschadstoffe im Abgas aufweist

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine einem Teil der Zylinder ein zündfähiges erstes Betriebsgemisch zugeführt wird, das gegenüber dem gewünschten Wert um einen bestimmten Betrag abgemagert ist und daß dem anderen Teil der Zylinder ein zündfähiges zweites Betriebsgemisch zugeführt wird, das komplementär zur Zusammensetzung des ersten Betriebsgemisches angereichert ist, wobei die Summe der zugeführten Betriebsstoffe den gewünschten Wert der Gesamtbetriebsgemischzusammensetzung ergibt.

Ausgehend von einer gewünschten Gesamtbetriebszusammensetzung mit einer Luftzahl von λ = 1 wird auf diese Weise bei der einen Zylindergruppe ein Abgas erzeugt, das einen relativ hohen NCX-Anteil hat, dafür jedoch sehr niedrige CO- und CH-Anteile aufweist. Bei der anderen Zylindergruppe wird ein Abgas erzeugt, das einen sehr geringen NO_x-Anteil .lufweist und dafür höhere Anteile von CO- und CH. Der in den Abgasen J5 vorhandene Sauerstoffgehalt ist bei der erstgenannten Zylindergruppe entsprechend der höheren Luftzahl λ erhöht. Nach der Zusammenführung beider Abgasarten können die alifallenden CO- und CH-Anteile mit dem vorhandenen Sauerstoff reagieren, was z. B. in einer Nachverbrennungseinrichtung mit erhöhtem Wirkungsgrad erfolgen kann. Insgesamt wird der schwer entfernbare NO_x-Anteil im Abgas stark verringert und durch die Einhaltung einer bestimmten optimalen Gesamtgemischzusammensetzung auch der Wert der CH- und CO-Schadstoffanteile sehr niedrig gehalten.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Einrichtungen zur Durchführung des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Weitere Einzelheiten so des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens werden nachstehend anhand von fünf in der Zeichnung dargestellten Ausführunpsbeispielen näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in schematischer Darstellung,

F ig.2 und 3 den elektrischen Schaltplan des ersten Ausführungsbeispieles nach F i g. 1,

Fig.4a eine schematische Darstellung eines Sauerstoff-Meßfühlers,

F i g. 4b ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Sauerstoff-Meßfühlers,

Fig„5 ein zweites Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung,

Fig. 6 ein drittes Ausfuhrungsbeispiel in schematischer Darstellung,

F i g. 7 einen Teil c'es elektrischen Schaltplanes des dritten Ausführungsbeispieles,

F i g. 8 ein viertes Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung,

F i g. 9 den teilweise als Blockschaltbild ausgeführten elektrischen Schaltplan des vierten Ausführungsbeispieles,

Fig. 10 ein fünftes Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung und

F i g. 11 Diagramme zur Erläuterung des Verfahrens.

In Fig. 1 ist mit 11 eine Brennkraftmaschine bezeichnet, die über ein Luftfilter 12 und ein Ansaugrohr 13 Luft ansaugt Das Ansaugrohr 13 verzweigt sich in einzelne Ansaugleitungen 14 bis 17, die zu den Zylindern der Brennkraftmaschine 11 führen. Im Ansaugrohr 13 ist eine Drosselklappe 18 angeordnet. Kraftstoff wird über eine Kraftstoffleitung 20 und eine Kraftstoffdüse 19 in das Ansaugrohr 13 eingebracht. Vor der Drosselklappe 18 zweigt vom Ansaugrohr 13 ein Bypaß 21 ab, der hinter der Drosselklappe 18 wieder in das Ansaugrohr 13 mündei. Im Bypaß 21 ist ein einstellbares Bypaßventil 22 angeordnet. Dieses ist beim ersten Ausführungsbeispiel als Bypaßklappe ausgebildet.

An die Auslaßventile der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine 11 schließen sich Abgasleitungen 24 bis 27 an. die sich zu einer Abgas-Sammelleitung 23 vereinigen. Die Abgas-Sammelleitung mündet in einen als Thermoreaktor ausgebildeten ersten Reaktor 28, an den sich ein katalytischer zweiter Reaktor 29 anschließt. Der Ausgang des katalytischen Reaktors 29 mündet in ein Auspuffrohr 30, das die Abgase einer nicht dargestellten Schalldämpferanlage zuführt.

Von der Kurbelwelle 31 der Brennkraftmaschine 11 wird vorzugsweise über einen nicht dargestellten Keilriemen eine Sekundärluftpumpe 32 angetrieben. Diese saugt übe' ein Sekundärluftfilter 33 Außenluft an und fördert sie über ein 3/2-Wegeventil 35, eine veränderbare Drosselstelle 36 und ein Rückschlagventil 37 zu eine! Druckleitung 34. Die Druckleitung 34 verzweigt sich weiter und mündet in unmittelbarer Nähe der nicht dargestellten Auslaßventile in die einzelnen Abgasleitungen 24 bis 27.

Das 3/2-Wegeventil 35 gibt in seiner in Fig. 1 eingezeichneten Arbeitsstellung, in die es durch eine Magnetwicklung 39 gezogen wird, den Weg für die Sekundärluft von der Sekundärluftpumpe 32 zur veränderbaren Drosselstelle frei. In der Ruhestellung des 3/2-Wegeventils 35 ist dieser Weg versperrt, die von der Sekundärluftpumpe 32 angesaugte Luft entweicht dann über eine Ablaßleitung 38 ins Freie.

An der Innenseite der Wand des Thermoreaktors 28 ist ein Temperaturfühler 40 angebracht, während ein Sauerstoff-Meßfühler 41 am Eingang des katalytischen Reaktors 29 vorgesehen ist. Der elektrische Ausgang des Temperaturfühlers 40 ist mit einem ersten Regelverstärker 42 verbunden. Der Ausgang des ersten Regelverstärkers 42 ist an den Eingang eines Schwellwertschalter 43 sowie an den elektrischen Eingang der veränderbaren Drosselstelle 36 angeschlossen. Vom Ausgang des Schwellwertschalters 43 führt eine Leitung zur Magnetwicklung 39 des 3/2-Wegeventils 35. Der elektrische Ausgang des Sauerstoff-Meßfühlers 41 ist über eine Reihenschaltung aus einem Vorverstärker 44 Uiid einem zweiten Regelverstärker 45 mit dem elektrischen Eingang der Bypaßklappe 22 verbunden.

Die Fig. 2 zeigt den Schaltplan des zweiten Regelkreises mit dem Vorverstärker 44 und dem zweiten Regelverstärker 45. Der Sauerstoff Meßfühler

ist wieder mit 41 bezeichnet. Der Vorverstärker 44 enthält einen Operationsverstärker 440, dessen Ausgang über einen Widerstand 441 mit einer Plusleitung 49 und über einen Gegenkopplungswiderstand 442 mit dem invertierenden Eingang verbunden ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 440 liegt weiterhin über einen Eingangswiderstand 443 am Ausgang des Sauerstoff-Meßfühlers 41. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 440 ist über einen Eingangswiderstand 444 an den Abgriff eines Spannungsteilers angeschlossen, der aus zwei Widerständen 445, 446 besteht und zwischen der Plusleitung 49 und einer Minusleitung 48 liegt.

Im zweiten Regelverstärker 45 ist als aktives Bauelement ein Operationsverstärker 450 vorgesehen. Dessen Ausgang liegt über einen Widerstand 451 an der Plusleitung 49 und über einen Integrierkondensator 452 am invertierenden Eingang. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 450 ist über einen Eingangswiderstand 453 mit dem Ausgang des Vorverstärkers 44 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 450 ist über einen Eingangswiderstand 454 mit dem Abgriff eines aus zwei Widerständen 455, 456 bestehenden Spannungsteilers und mit einem Trimmwiderstand 457 verbunden. Dem Trimmwiderstand 457 kann über eine Klemme 458 eine Korrekturspannung zugeführt werden.

An den zweiten Regelverstärker 45 schließt sich ein Leistungsverstärker 46 an, der eine zur Betätigung der Bypaßklappe 22 dienende Magnetwicklung 47 ansteuert.

In Fig.3 ist der Schaltplan des ersten Regelkreises mit dem ersten Regelverstärker 42 und dem Schwellwertschalter 43 dargestellt. Der Temperaturfühler ist als Thermoelement ausgebildet. Im ersten Regelverstärker 42 führt vom Ausgang eines Operationsverstärkers 420 ein Widerstand 421 zur Plusleitung 49 und eine Reihenschaltung eines Widerstandes 422 und eines Integrierkondensators 423 zum invertierenden Eingang, der über einen Widerstand 424 an den Ausgang des Thermoelementes 40 angeschlossen ist. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 420 liegt über einen Eingangswiderstand 425 am Abgriff eines Spannungsteilers, der aus zwei Widerständen 426, 427 besteht.

Die Schaltung des Schwellwertschalters 43 nach F i g. 3 ist sehr ähnlich aufgebaut wie die Schaltung des Vorverstärkers 44 in F i g. 2. Die Bezugszahlen der einzelnen Bauelemente sind um 10 niedriger als beim Vorverstärker 44. Einzelheiten brauchen daher nicht mehr beschrieben zu werden. Der Unterschied besteht darin, daß nicht wie beim Vorverstärker 44 ein Gegenkopplungswiderstand 442, sondern ein Mitkopplungswiderstand 432 vorgesehen ist, der zwischen dem Ausgang und dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 430 liegt

An den Ausgang des ersten Regelverstärkers 42 schließt sich weiterhin ein Leistungsverstärker 50 an, der eine Magnetwicklung 51 ansteuert Die Magnetwicklung 51 dient zur Betätigung der veränderbaren Drosselstelle 36. An den Ausgang des Schwellwertschalters 43 ist ein Leistungsverstärker 52 angeschlossen, dessen Ausgang mit der Magnetwicklung 39 des 3/2-Wegeventils 35 verbunden ist

In Fig.4a ist der Aufbau des Sauerstoff-Meßfühlers 41 schematisch dargestellt Der Meßfühler besteht aus einem einseitig verschlossenen Röhrchen 410, das aus einem Festelektrolyten gesintert ist Der Festelektrolyt 410 ist beiderseits mit mikroporösen Platinschichten 411 bedampft. Die beiden Platinschichten 411 sind mit Kontakten versehen, welche zu elektrischen Anschlußklemmen 412, 413 geführt sind. Das Festelektrolyt-

"> Röhrchen 410 wird durch eine Fassung 414 in der Wand eines Abgasrohres 415 gehalten. Die Fassung 414 weist eine Bohrung 416 auf, durch welche Außenluft in den Innenraum des Röhrchens 410 eindringen kann. Die Außenfläche des Röhrchens 410 wird vom Abgas

in umströmt.

In F i g. 4 ist der Verlauf der Ausgangsspannung Udes Sauerstoff-Meßfühlers 41 über der Luftzahl L aufgetragen. Die Luftzahl L ist als das Verhältnis der Luftmasse zur Kraftstoffmasse definiert und nimmt bei einem

ii stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch den Wert 1,0 an. Bei Luftzahlen, die größer als 1,0 sind, wird demnach die Brennkraftmaschine mit magerem Gemisch betrieben.
Der Festelektrolyt 410 des Sauerstoff-Meßfühlers 41 ist bei höheren Temperaturen, wie sie im Abgasstrom herrschen, sauerstoffionenleitend. Als Festelektrolyt kann zum Beispiel Zirkondioxid verwendet werden. Wenn der Sauerstoffpartialdruck des Abgases vom Sauerstoffpartialdruck der Außenluft abweicht, dann

2^r-> tritt zwischen den beiden Anschlußklemmen 412, 413 eine Potentialdifferenz auf. deren Verlauf über der Luftzahl L durch eine Kurve 52 in F i g. 4b wiedergegeben wird. Diese Potentialdifferenz hängt logarithmisch vom Quotienten der Sauerstoff-Partialdriicke zu beiden Seiten des Festelektrolyten 410 ab. Deshalb ändert sich die Ausgangsspannung des Sauerstoff-Meßfühlers in der Umgebung der Luftzahl L = 1,0 sprungartig. Der Sauerstoff-Meßfühler nach Fig.4a läßt sich außerordentlich gut zur Ansteuerung des zweiten Regeiverstärkers 45 verwenden, weil die Ausgangsspannung so stark von der Luftzahl L abhängt. Insbesondere lassen sich Luftzahlen L in der Umgebung von 1,0 sehr gut einregeln.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des ersten Ausführungsbeispiels wird im folgenden noch die F i g. 11 herangezogen. Dort ist die Zusammensetzung der Abgase als Funktion der Luftzahl L dargestellt Eine Kurve 96 zeigt den Gehalt der Abgase an Kohlenmonoxid (CO). Unterhalb von L = 1,0 nimmt der CO-Wert mit steigender Luftzahl stetig ab. Oberhalb von L — 1,0 ist der CO-Wert im wesentlichen konstant und sehr klein. Eine Kurve 97 für den Gehalt der Abgase an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (CH) zeigt bis zu L = 1.3 ungefähr den gleichen Verlauf wie die Kurve 96.

so Oberhalb von L = 1,3 nimmt der Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen sprunghaft zu, weil die Abgas^u!>aiiiiiieii>>ciZurig dann durch eine zunehmende Zahl von Verbrennungsaussetzern beeinflußt wird. Diese Verbrennungsaussetzer sind eine Folge des sehr mageren Gemisches.

Eine Kurve 98 für den Gehalt der Abgase an Stickoxiden NO_x zeigt genau den umgekehrten Verlauf der beiden Kurven 96,97. Sie weist einen Maximalwert auf, der ungefähr bei L — 1,05 liegt Zu großen und zu kleinen Luftzahlwerten hin fällt die Kurve 98 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 98 für die Zusammensetzung des Gemisches in der Abgas-Sammellehung 23 gilt nimmt der Stickoxidgehalt am Ausgang des katalytischen Reaktors 29 einen wesentli-

chen anderen Verlauf, der durch eine gestrichelt gezeichnete Kurve 29 dargestellt ist. Bei reduzierender Abgaszusamniensetzung, d. h. bei kleinen Luftzahlen, reagieren die Stickoxide im katalytischen Reaktor 29 mit dem Kohlenmonoxid CO und mit Wasserstoff aus ■-, den unverbrannten Kohlenwasserstoffen CH. Deshalb findet man bei kleinen Luftzahlen am Ausgang des katalytischen Reaktors 29 praktisch keine Stickoxide mehr im Abgas. Beim Überschreiten der Luftzahl L = 1,0 ändern die Abgase ihre Zusammensetzung von w reduzierend nach oxidierend, d. h. es ist mehr Sauerstoff im Abgas enthalten. Damit können die Stickoxide NO_x im kaialytischen Reaktor 29 nicht mehr reduziert werden, so daß für große Luftzahlen die beiden Kurven 98 und 99 zusammenfallen. i>

Für das Verständnis der Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels ist es zweckmäßig, zunächst den zweiten Regelkreis mit dem Sauerstoff-Meßfühler 41. dem Vorverstärker 44, dem zweiten Regelverstärker 45 und dem Bypaßventil 22 zu beschreiben. ;>u

Das der Brennkraftmaschine ti zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch ist umso magerer, je weiter das Bypaßventil 22 geöffnet ist. Der Bypaß 21 mit dem Bypaßventil 22 ist so dimensioniert, daß in einer mittleren Stellung des Bypaßventils 22 der Vergaser mit >■; der Kraftstoffdüse 19 und der Drosselklappe 18 ein Gemisch einstellt, dessen Luftzahl L näherungsweise gleich 1,0 ist. Dieses Gemisch wird in der Brennkraftmaschine 11 verbrannt und die Abgase strömen über die Abgas-Sammelleitung 23 und den Thermoreaktor 28 in zum katalytischen Reaktor 29. Der Sauerstoff-Meßfühler 41 mißt nach Kurve 52 in Fig.4b die tatsächlich erreichte Li.ftzahl L Seine Ausgangsspannung wird im Vorverstärker 44 verstärkt, der als Umkehrversiärker wirkt, weil der inverlierende Eingang des Operations- r, Verstärkers 440 angesteuert wird. Die Ausgangsspannung des Vorverstärkers 44 steigt also mit zunehmender Luftzahl.

Der zweite Regelverstärker 45 ist mit dem Integrierkondensator 452 als Integralregler beschaltet und «ί deshalb in Fig. 1 mit /bezeichnet. Der Luftzahlsollwert läßt sich mit Hilfe des Trimmwiderstandes 457 oder durch geeignete Dimensionierung des Spannungsteilers 455, 456 einstellen. Die Einstellung über den Trimmwiderstand 457 hat den Vorteil, daß man über die Klemme 458 eine Spannung zuführen kann, die von einem weiteren Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, ζ. Β. der Kühlwassertemperatur, abhängt.

Zur Beschreibung eines speziellen Regelvorganges sei nun angenommen, daß der Vergaser 18, 19 ein Gemisch mit einer etwas zu großen Luftzahl liefert, infoige der abnehmenden Ausgangsspanriufsg des Sauerstoff-Meßfühlers 41 steigt die Ausgangsspannung des Vorverstärkers 44 über den am Spannungsteiler 455, 456 eingestellten Sollwert an. Der zweite Regelverstärker 45 integriert in negativer Richtung, so daß die Eingangsspannung des Leistungsverstärkers 46 immer niedriger wird. Der Leistungsverstärker 46 muß so dimensioniert werden, daß er keine Signalumkehr bewirkt und in diesem Fall das Bypaßventil 22 immer weiter schließt Durch das Schließen des Bypaßventils 22 wird das Gemisch fetter, und die Luftzahl L unterschreitet wieder den eingestellten Sollwert. Der zweite Regelverstärker 45 integriert demzufolge in positiver Richtung und öffnet das Bypaßventil 22 wieder allmählich.

Infolge der großen Steilheit der Kurve 52 in Fig.4b pendelt die Luftzahl L periodisch mit nur geringer Amplitude um den eingestellten Sollwert. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, einen Sollwert von etwa 0.98 bis 0,99 einzustellen. Dadurch wird sichergestellt, daß der katalytische Reaktor 29 in reduzierender Atmosphäre arbeiten kann.

Die Schwierigkeit besteht nun darin, daß der Thermoreaktor 28 eine Betriebstemperatur von 800 bis 1000°C erreichen muß, und daß auch im katalytischen Reaktor 29 die Betriebstemperatur noch über 600⁰C liegen muß. Infolge der Luftzahlregelung mit Hilfe des zweiten Regelkreises ist die Grundemission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid schon so niedrig, daß der Thermoreaktor 28 während des Warmlaufes der Brennkraftmaschine 11 seine Betriebstemperatur nur sehr langsam erreicht. Die gleiche Schwierigkeit ergibt sich bei niedrigen Außentemperaturen, da die Wärmeabstrahlung des Thermoreaktors 28 proportional zur vierten Potenz der Temperaturdifferenz zwischen Reaktorwand und Außenluft ist. Wenn nur der zweite Regelkreis vorgesehen wäre, könnte es im Winter vorkommen, daß die Betriebstemperatur des Thermoreaktors 28 unter 600⁰C bleibt und daß demnach die Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid nur ungenügend nachverbrannt würden.

Zur Behebung dieser genannten Schwierigkeiten ist der erste Regelkreis mit dem Temperaturfühler 40 und dem ersten Regelverstärker 42 vorgesehen. Die Ausgangsspannung des Temperaturfühlers 40 steigt mit wachsender Temperatur. Der erste Regelverstärker 42 ist mit dem Widerstand 422 und dem Integrierkondensator 423 als PI-Regler geschaltet und in F i g. 1 auch so bezeichnet.

Diese Bezeichnung weist darauf hin, daß die Regelcharakteristik des ersten Regelverstärkers 42 einen Proportional- und einen Integralanteil aufweist. Da beim Operationsverstärker 420 der invertierende Eingang angesteuert wird, nimmt die Ausgangsspannung des ersten Regelverstärkers 42 mit steigender Temperatur ab. Die Schaltschwelle des Schwellwertschalters 43 wird mit Hilfe des Spannungsteilers 435,436 festgelegt.

Überschreitet die Reaktortemperatur den eingestellten Betriebsspannungs-Sollwert von z. B. 900⁰C, dann unterschreitet die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 420 die Abgriffsspannung des Spannungsteilers 435, 436, und der Ausgang des Operationsverstärkers 430 springt auf Pluspotential. Der Leistungsverstärker 52 muß so beschaltet werden, daß er eine Signalumkehr bewirkt und in diesem Fall die Magnetwicklung 39 des 3/2-Wegeventils 35 nicht mehr weiter erregt. Die von der Sekundärluftpumpe 32 geförderte Luft strömt darin durch die Ablaßieitung 38 ins Freie, und die Regelschaltung funktioniert so, wie es oben schon beschrieben worden ist. Es ist dann also nur der zweite Regelkreis 44,45 in Betrieb.

Liegt dagegen die Reaktortemperatur unter dem eingestellten Sollwert, dann liegt der Ausgang des Operationsverstärkers 430 auf Minuspctential und die Magnetwicklung 39 ist erregt. Die Sekundärluftpumpe 32 fördert jetzt über die Druckleitung 34 Sekundärluft in die Abgasleitungen 24 bis 27.

Die zugeführte Sekundärluft täuscht nun für den Sauerstoff-Meßfühler 41 eine zu hohe Luftzahl L vor, so daß dieser über den zweiten Regelkreis 44, 45, ein fetteres Gemisch einstellt. Das fettere Gemisch führt gemäß Fig. 10 zu einer höheren Emission an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, die nun zusammen mit der Sekundärluft im Thermoreaktor 28 verbrannt

werden und diesen dadurch aufheizen.

Es ist dabei sichergestellt, daß die Verbrennung eingeleitet wird, weil nämlich die Druckleitung 34 unmittelbar nach den Auslaßventilen in die Abgasleitungen 24 bis 27 einmündet. Bis zu dieser Stelle dringen nach dem öffnen der Auslaßventile auf jeden Fall noch Flammen.

Die Verbrennungswärme der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids heizt den Thermoreaktor 28 und den katalytischen Reaktor 29 auf. Durch den Sauerstoff-Meßfühler 41 wird sichergestellt, daß das Gemisch im Vergaser 18,19 genau so weit angereichert wird, daß die emittierten Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid im Thermoreaktor 28 vollständig verbrannt werden können. Zur Veranschaulichung dieser Tatsache kann man eine Luftzah! L! für das Ansaugrohr 13 und eine Luftzahl L 2 für die Abgas-Sammelleitung 23 definieren. Im Ansaugrohr 13 wird während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 11 eine Luftzahl L von z. b. 0,8 eingestellt. Den Abgasleitungen 24 bis 27 muß soviel Sekundärluft zugeführt werden, daß in der Abgas-Sammelleitung 23 eine resultierende Luftzahl L = 0,98 erreicht wird. Bei dieser Sekundärluftmenge würde in der Abgas-Sammelleitung 23 die Luftzahl L2 = 1,18 erreicht, wenn der Brennkraftmaschine auf der Ansaugseite ein nahezu stöchiometrisches Gemisch mit Li= 0,98 zugeführt würde. Die I uftzalü L 2 ist also nur von theoretischem Interesse. Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig.8 und 10, die weiter unten beschrieben sind, werden dagegen tatsächlich zwei verschiedene Luftzahlen L 1 und L 2 eingestellt.

Da die Regelcharakteristik des ersten Regelverstärkers 42 einen Proportionalanteil aufweist, weichen die beiden Luftzahlen L 1 und L 2 umso stärker von ihrem arithmetischen Mittelwert, d. h. von der resultierenden Luftzahl L = 0.98 ab, je niedriger die Reaktortemperatur ist. Bei niedriger Reaktortemperatur ist nämlich die Ausgangsspannung des ersten Regelverstärkers 42 relativ hoch und die veränderbare Drosselstelle 36 wird über den Leistungsverstärker 50 und die Magnetwicklung 51 weit geöffnet. Über die Sekundärluft wird eine große Luftzahl L 2 eingestellt, und der zweite Regelkreis 44, 45 muß dementsprechend eine sehr niedrige Luftzahl L 1 einregeln.

Mit zunehmender Reaktonemperatur wird die veränderbare Drosselstelle 36 immer weiter geschlossen, bis schließlich beim Erreichen des Sollwertes der Reaktortemperatur das 3/2-Wegeventil 35 in seine Ruhestellung zurückgestellt wird und der Sekundärluftstrom dadurch vollständig abreißt. Wenn das 3/2-Wegeventil 35 nicht vorgesehen wäre, dann würde die fes dauernd mit maximaler Unsymmetrie der beiden Luftzahlen L\ und L 2 betrieben. Diese vereinfachte Ausführung hat jedoch Nachteile beim Betrieb der Brennkraftmaschine in kalter Umgebung, weil dann nur '> entweder mit gleichen Luftzahlen L 1 und L 2 oder mit maximaler Unsymmetrie gefahren werden kann. Der unsymmetrische Betrieb bringt jedoch eine gewisse Leistungseinbuße der Brennkraftmaschine mit sich. Daher spürt man beim Umschalten der Zweipunktrege-

H) lung ζ. B. einen Ruck, wenn dieser Umschaltvorgang gerade in einer Beschleunigungsphase stattfindet.

Beim ersten Ausführungsbeispiel ist der zweite Regelverstärker 45 als Integralregler ausgebildet. Dies hat sich bei praktischen Versuchen als zweckmäßig erwiesen. Es werden nämlich dadurch erstens alterungsbedingte Änderungen des Ausgangssigna's des Sauerstoff-Meßfühlers 41 ausgeregelt, und zweitens werden Regelschwingungen sicher unterdrückt, die bei Verwendung eines Proportionalreglers dadurch entstehen

2u könnten, daß das Bypaßventil 22 infolge der großen Steilheit der Kurve 52 (s. Fig.4b) in rascher Folge geöffnet und geschlossen wird. Beim ersten Regelkreis mit dem ersten Regelverstärker 42 ist die Gefahr der Aufschaukelung von Regelschwingungen nicht so groß.

Trotzdem hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den ersten Regelverstärker 42 als Proportional-Integral-Regler auszubilden. Er kann in speziellen Fällen auch als Proportional- oder als Integralregler ausgebildet werden, ohne daß sich die grundsätzliche Wirkungswei-

m se des ersten Ausführungsbeispiels ändern würde.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszahlen wie beim ersten Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 bezeichne; und werden nicht mehr besonders beschrieben. Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel ist im Vergaser kein Bypaß 21 vorgesehen. Zur Einstellung der Luftzahl L dient beim zweiten Ausführungsbeispiel eine veränderbare Drosselstelle 53. die zwischen der Kraftstoffleitung 20 und der Kraftstoffdüse 19 angeordnet ist. Die Sekundärluftpumpe 32 wird von einem Elektromotor 55 über eine Welle 56 angetrieben. Der Ausgang der Sekundärluftpumpe 32 ist direkt über das Rückschlagventil 37 an die Druckleitung 34 angeschlossen. An den Temperaturfühler 40 ist ein erster Regelverstärker 54

■>5 angeschlossen, der zur Ansteuerung des Elektromotors 55 dient. Der zweite Regelverstärker 45 steuert die veränderbare Drosselstelle 53 an.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel kann für den zweiten Regelkreis ebenfalls die Schaltung nach Fig. 2 verwendet werden. Lediglich der Leistungsverstärker 46 muß anders beschaltet werden, nämlich so. daß er eine Si^nslumkehr

nnH

Sekundärluftpumpe 32 ständig Leistung aus der Brennkraftmaschine 11 aufnehmen. Sobald dagegen die Sekundärluft über die Ablaßleitung 38 ins Freie abströmen kann, nimmt die Sekundärluftpumpe 32 praktisch keine Leistung mehr auf, so daß Kraftstoff gespart wird.

Man kann beim ersten Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 die veränderbare Drosselstelle 36 auch ganz einsparen und somit die kontinuierliche Regelung im ersten Regelkreis durch eine Zweipunktregelung ersetzen. Man erzielt dabei sogar eine besonders schnelle Aufheizung des Thermoreaktors 28, weil während der ganzen Zeit bis zum Ansprechen des Schwellwertschalters 43 die volle Menge an Sekundärluft über die Druckleitung 34 geführt wird. Die Brennkraftmaschine wird daher während des WarmlauDrosselstelle 53 umso weiter öffnet je größer die mit dem Sauerstoff-Meßfühler 41 gemessene Luftzahl L ist.

Im ersten Regelkreis kann für den ersten Regelverstärker 54 ebenfalls ein Proportional-lntegral-Regler nach F i g. 3 verwendet werden. Der Leistungsteil des ersten Regelverstärkers 54 muß aber so beschaltet werden, daß er zur Ansteuerung eines Elektromotors 55 geeignet ist Er kann zum Beispiel eine Impulssteuerschaltung enthalten, wie sie zur Speisung eines Elektromotors aus einer Batterie gebräuchlich ist

Der Elektromotor 55 treibt die Sekundärluftpumpe 32 mit umso größerer Drehzahl an, je höher seine Betriebsspannung ist, d. h. je niedriger die Reaktortemperatur 28 ist Die veränderbare Drosselstelle 36 des ersten Ausführungsbeispiels kann daher eingespart werden. Das Rückschlagventil 37 verhindert wie beim

ersten Ausführungsbeispiel, daß oberhalb der Reaktor-Betriebstemperatur bei stillstehendem Elektromotor 55 Abgase über die Druckleitung 34 in die Sekundärluftpumpe 32 gepreßt werden.

Beim dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind wieder Bauteile, die gleich wie bei den beiden ersten Ausführungsbeispielen sind, mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht mehr eigens beschrieben. Im Gegensatz zu den beiden ersten Ausführungsbeispielen weist das dritte Ausführungsbeispiel anstelle eines Vergasers eine Einspritzeinrichtung auf, die von einer Transistorschalteinrichtung 57 gesteuert wird. Im Ansaugrohr 13 ist ein Luftmengenmesser 58 angeordnet, dessen elektrischer Ausgang mit einem Eingang A der Transistorschalteinrichtung 57 verbunden ist. Mit einem zweiten Eingang B der Transistorschaheinrichtung 57 ist der Ausgang des zweiten Regelverstärkers 45 verbunden. An den Ausgang der Transistorschalteinrichtung 57 ist der elektrische Eingang (die Magnetwicklung) eines Einspritzventiles 59 angeschlossen, das Kraftstoff in die vierte Ansaugleitung 17 einspritzt. Das Einspritzventil 59 wird von einer Kraftstoffdruckleitung 60 mit Kraftstoff versorgt. Auch den anderen drei Ansaugleitungen 14 bis 16 ist je ein Einspritzventil zugeordnet, doch sind diese weiteren Einspritzventile aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in Fig.6 eingezeichnet.

Die Schaltung des ersten Regelkreises 40, 42, 43 ist gleich wie beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. An den Ausgang des Schwellwertschalters 43 ist der elektrische Eingang einer elektromagnetisch betätigbaren Kupplung 61 angeschlossen, die zwischen der Kurbelwelle 31 und der Antriebswelle der Sekundärluftpumpe 32 angeordnet ist. Die Sekundärluftpumpe 32 saugt die Luft direkt über eine Abzweigleitung 62 aus dem Ansaugrohr 13 an, und zwar aus dem Raum zwischen dem Luftmengenmesser 58 und der Drosselklappe 18. Dadurch wird die Sekundärluft vom Luftmengenmesser 58 mitgerissen.

Beim zweiten Regelkreis ist die Schaltungsanordnung des Vorverstärkers 44 und des zweiten Regelverstärkers 45 gleich wie beim ersten Ausführungsbeispiei nach Fig. 2. Der Schaltplan der Transistorschalteinrichtung 57 ist in F i g. 7 dargestellt.

Die Transistorschalteinrichtung 57 nach F i g. 7 enthält eingangsseitig eine Schaltstufe 63, die beispielsweise als monostabile Kippstufe ausgebildet sein kann. Die monostabile Kippstufe 63 wird von einem Impulsgeber 69 angesteuert, der als ein von einem Nocken 70 betätigter Schalter ausgebildet ist. Der Schalter 69 wird synchron zur Kurbelwellendrehzahl so oft geschlossen, daß jedem Einspritzventil 59 bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung ein Einspritzimpuls zugeführt wird. Über den Korrektureingang A wird die Impulsdauer der monostabilen Kippstufe 63 in Abhängigkeit von der gemessenen Luftmenge geändert, so daß bei großer Luftmenge auch mehr Kraftstoff eingespritzt wird und die Luftzahl konstant gehalten werden kann.

An den Ausgang der monostabilen Kippstufe 63 ist eine Impulsverlängerungsstufe 64 angeschlossen, die einen Speicherkondensator 640 enthält Der Speicherkondensator 640 ist mit einer seiner Elektroden an den Kollektor eines Transistors 641 angeschlossen, dessen Emitter über einen Widerstand 642 mit der Plusleitung 49 und dessen Basis mit dem Ausgang der monostabilen Kippstufe 63 verbunden ist Die Basis des Transistors 641 ist weiterhin mit der Eingangsklemme B und über einen Widerstand 643 mit der Minusleitung 48

ίο

verbunden.

Der zweite Anschluß des Speicherkondensators 640 ist mit dem Kollektor eines Entladetransistors 644 verbunden. Der Entladetransistor 644 liegt mit seiner Basis am Abgriff eines aus einem Widerstand 648 und einem veränderlichen Widerstand 649 bestehenden Spannungsteilers. Der Emitter des Entladetransistors 644 ist über einen Widerstand 645 mit der Plusleitung 49 verbunden. Weiterhin liegt zwischen dem Kollektor des Enlladetransistors 644 und der Basis eines Umkehrtransistors 650 eine Diode 646, die so gepolt ist, daß sie den Kollektorstrom des Entladetransistors 644 durchläßt. Die Basis des Umkehrtransistors 650 ist über einen Widerstand 647 mit der Minusleitung 48 verbunden. Zwischen dein Kollektor des Umkehrtransistors 650 und der Plusleitung 49 liegt ein Kollektorwiderstand 651.

Der Ausgang der monostabilen Kippstufe 63 und der Kollektor des Umkehrtransistors 650 sind mit zwei Eingängen eines ODER-Gatters 66 verbunden, das einem Leistungsverstärker 67 vorgeschaltet ist. Der Leistungsverstärker 67 steuert eine Magnetwicklung 68 an, die zur Betätigung des Einspritzventils 59 dient. Die Magnetwicklung der anderen Ein pritzventile können zur Magnetwicklung 68 parallelgeschaltet sein.

Die Funktionsweise der Transistorschaiteinrichtung 57 nach F i g. 7 ist von anderen elektronisch gesteuerten Benzineinspritzungstnlagen her bekannt, z. B. aus der DE-AS 15 26 506. Sie wird daher nur noch kurz beschrieben. Die Dauer der Ausgangsimpulse der monostabilen Kippstufe 63 ist — wie schon oben erwähnt — abhängig von der Luftmenge. Der Ausgangsimpuls der monostabilen Kippstufe 63 wird über das ODER-Gatter 66 direkt dem Leistungsverstärker 67 zugeführt. An diesen Ausgangsimpuls schließt sich ein Verlängerungsimpuls an, der in der Impulsverlängerungsstufe 64 gebildet wird.

Die Dauer des Verlängerungsimpulses ist proportional zur Daue! des Ausgangsimpulses der monostabilen Kippstufe 63. Weiterhin wird die Dauer des Verlängerungsimpulses durch den veränderlichen Widerstand 649 beeinflußt, der zum Beispiel als NTC-Widerstand ausgebildet sein kann und dann zur Messung der Motortemperatur dient. Schließlich läßt sich die Dauer des Verlängerungsimpulses noch durch die am Eingang B anliegende Spannung beeinflussen.

Die am Eingang B anliegende Spannung beeinflußt über den Transistor 641 den Aufladestrom des Kondensators 640 während der Impulsdauer der monostabilen Kippstufe 63. Damit beeinflußt sie auch die Höhe des Spannungssprungs, der am Ende des Α_ηςσρησςιττιηι_ι}5£ς Hpr rnnnnctaKiipn Kinn^tijfp fi3 iifctPr den Kondensator 640 übertragen wird. Dagegen beeinflußt eine Veränderung des Widerstandes 649 den Entladestrom des Kondensators 640 und damit den Zeitpunkt, zu dem nach eine anfänglichen Sperrung der Umkehrtransistor 650 wieder leitend wird.

Im folgenden werden die in der digitalen Schaltungstechnik gebräuchlichen Begriffe L-Signal und O-Signal verwendet Wenn an einem Punkt ein L-Signal liegt, dann bedeutet das, daß dieser Punkt wenigstens näherungsweise auf dem Potential der Plusleitung 49 liegt Umgekehrt gibt ein Punkt ein O-Signal ab, wenn er wenigstens näherungsweise auf dem Potential der Minusleitung 48 liegt

Der Umkehrtransistor 650 ist im stationären Zustand der Schaltung leitend Der Umkehrtransistor 650 kann gesperrt werden, wenn vom Speicherkondensator 640

am Ende des Ausgangsimpulses der monostabilen Kippstufe 63 ein negativer Impuls übertragen wird. Das Nutzsignal am Kollektor des Umkehrtransistors 650 ist daher ebenso wie das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 63 ein L-Signal. Das ODER-Gatter 66 gibt an seinem Ausgang ein L-Signal ab, wenn wenigstens an einem seiner Eingänge ein L-Signal liegt Daher wird der Ausgangsimpuls der Impulsverlängerungsstufe zeitlich an den Ausgangsimpuls der monostabilen Kippstufe 63 angefügt.

Zur Beschreibung eines speziellen Regelvorganges sei nun wieder wie beim ersten Ausführungsbeispiel angenommen, daß die Transistorschalteinrichtung 57 momentan einen zu kurzen Einspritzimpuls erzeugt, so daß die Luftzahl L zu groß ist Der Sauerstoff-Meßfühler 41 gibt demzufolge eine niedrige Ausgangsspannung ab und der zweite Regelverstärker 45 (s. F i g. 2) integriert in negativer Richtung. Da der Eingang B der Impulsverlängerungsstufe 64 (s. Fig.7) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 450 im zweiten Regelverstärker 45 verbunden ist, wird jetzt der Aufladestrom durch den Transistor 641 sehr groß. Der Verlängerungsimpuls, der über das ODER-Gatter 66 dem Einspritzventil zugeführt wird, ist demzufolge lang, und die Luftzahl L nimmt ab. Sobald die Luftzahl L den mit dem Spannungsteiler 455,456 eingestellten Sollwert unterschreitet, nimmt die Ausgangsspannung des Sauerstoff-Meßfühlers 41 wieder rasch zu, und der zweite Regelverstärker 45 integriert in positiver Richtung. Dadurch werden die Verlängerungsimpulse jo wieder kürzer. Dieses Spiel wiederholt sich periodisch.

Der beschriebenen Luftzahlregelung mit Hilfe einer Einspritzanlage wird jetzt wieder wie beim ersten Ausführungsbeispiel eine Temperaturregelung mit dem ersten Regelkreis 42, 43 überlagert. Ein erster i~< Unterschied gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß beim Erreichen der Reaktor-Betriebstemperatur durch den Schwellwertschalter 43 die Kupplung 61 ausgerückt wird, so daß die Sekundärluftpumpe 32 keine weitere Antriebsleistung aufnehmen kann. Durch die Kupplung 61 wird also das 3/2-Wegeventil 35 ersetzt. Der zweite Unterschied gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel ist wesentlicher: die Sekundärluft wird nicht über ein besonderes Sekundärluftfilter 33 sondern direkt aus dem Ansaugrohr 13 ^ angesaugt. Dadurch wird erstens das Sekundärluftfilter 33 eingespart und zweitens spricht der zweite Regelkreis 44, 45 schneller auf Temperaturänderungen an. Beim ersten Ausführungsbeispiel muß nämlich nach einer Änderung der Sekundärluftmenge durch den ersten Regelkreis erst das ganze Abgas im Thermoreaktor durchgemischt werden und dann am Sauerstoff-Meßfühler vorbeiströmen, bis dieser überhaupt anspricht. Beim dritten Ausführungsbeispiel wird dagegen eine Änderung der Sekundärluftmenge unverzögert vom Luftmengenmesser 58 mitgemessen, so daß über die Transistorschalteinrichtung die Einspritzimpulse so verlängert werden, wie wenn auch die Sekundärluftmenge den Einlaßventilen zugeführt würde.

Der zweite Vorteil des dritten Ausführungsbeispiels, t>o nämlich die Verminderung der Verzögerungszeit des zweiten Regelkreises 44, 45 im Zusammenwirken mit dem ersten Regelkreis 42, 43, kann allerdings nur dann ausgenützt werden, wenn als Gemischdosierungssystem eine Einspritzanlage verwendet wird, deren Einspritz- μ dauer von einem Luftmengenmesser 58 gesteuert wird. Der Einsatz des dritten Ausführungsbeispiels kann trotzdem auch bei anderen Gemischdosierungssystemen sinnvoll sein, weil nämlich der Wegfall des Sekundärluftfilters 33 den mechanischen Aufbau wesentlich vereinfach:.

Beim vierten Ausführungsbeispiel nach Fig.8 sind wieder Bauteile, die gleich wie bei den drei ersten Ausführungsbeispielen sind, mit den dort verwendeten Bezugszahlen bezeichnet Sie werden nicht mehr besonders beschrieben. Der bei den ersten drei Ausführungsbeispielen verwendete Thermoreaktor 28 fällt beim vierten Ausführungsbeispiel weg. Als Thermoreaktor dienen beim vierten Ausführungsbeispiel die Abgas-Sammelleitung 23 sowie die einzelnen Abgasleitungen 24 bis 27, welche mit einer thermisch isolierten Wand 71 versehen sind. Der Temperaturfühler 40 ist an der Innenseite der isolierten Wand 71 angebracht Als Gemischdosierungssystem ist wieder wie beim dritten Ausführungsbeispiel eine Einspritzanlage mit einem Luftmengenmesser 58 vorgesehen. Jeder Ansaugleitung 14 bis 17 ist ein Einspritzventil zugeordnet. Davon sind in Fig.8 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei Einspritzventile 73, 74 eingezeichnet, die Kraftstoff in die erste bzw. in die vierte Ansaugleitung 14, 17 einspritzen. Weiterhin sind in Fig.8 zwei Anschlußleitungen 75, 76 eingezeichnet, die von der Kraftstoff-Druckleitung 60 zu den beiden nicht eingezeichneten Einspritzventilen führen.

Zur Ansteuerung der Einspritzventile 73,74 dient eine Zweikanal-Transistorschalteinrichtung 72, die drei Eingänge A, C, D aufweist. An den ersten Eingang A ist der Ausgang des Luftmengenmessers 58 angeschlossen, während mit dem zweiten Eingang C der Ausgang des ersten Regelverstärkers 42 verbunden ist. Schließlich liegt der Ausgang des zweiten Regelverstärkers 45 am dritten Eingang D. Die vier Einspritzventile der Vierzylinder-Brennkraftmaschine 11 sind in zwei Zweiergruppen aufgeteilt, die abwechselnd ausgelöst werden. Das Einspritzventil 74 gehört zur ersten Zweiergruppe und ist mit seinem elektrischen Eingang an einen ersten Ausgang E der Zwcikanal-Transistorschalteinrichtung 72 angeschlossen. Das Einspritzventil 73 gehört zur zweiten Zweiergruppe und liegt an einem zweiten Ausgang F.

Der Schaltplan der Zweikanal-Transistorschalteinrichtung 72 ist in F i g. 9 dargestellt. Gleich wie bei der Transistorschalteinrichtung 57 nach F i g. 7 ist die Reihenschaltung aus dem Impulsgeber 69, der monostabilen Kippstufe 63, der Impulsverlängerungsstufe 64 und dem ODER-Gatter 66 vorgesehen. An den Impulsgeber 69 ist weiterhin der Takteingang T einer bistabilen Kippstufe 77 angeschlossen. Die bistabile Kippstufe 77 ist als /K-Flipflop ausgebildet, dessen beide Vorbereitungseingänge /, K an eine Klemme 78 angeschlossen sind. Das /K-Flipflop 77 weist zwei zueinander komplementäre Ausgänge Q1, Q2 auf.

Zur Ansteuerung der ersten Zweiergruppe von Einspritzventilen, deren Magnetwicklungen mit 83, 84 bezeichnet sind, dient eine Reihenschaltung aus einem UND-Gatter 79 und einem Leistungsverstärker 81. Der Ausgang des Leistungsverstärkers 81 bildet den ersten Ausgang E der Zweikanal-Transistorschalteinri + htung 72. In gleicher Weise ist zur Ansteuerung der zweiten Zweiergruppe von Einspritzventilen mit Magnetwicklungen 85, 86 eine Reihenschaltung aus einem UND-Gatter 80 und einem Leistungsverstärker 82 vorgesehen.

Die beiden Eingänge des ersten UND-Gatters 79 sind mit dem ersten Ausgang Q 1 des yK-Flipflops 77 und mit dem Ausgang des ODER-Gatters 66 verbunden. Die

Eingänge des zweiten UND-Gatters 80 liegen am zweiten Ausgang Q 2 und am Ausgang des ODER-Gatters 66.

Mit dem Korrektureingang B der Impulsverlängerungsstufe 64 ist ein Trimmwiderstand 95 verbunden, dessen anderer Anschluß mit drei Addierwiderständen 92, 93, 94 in Verbindung steht Der erste Addierwiderstand 92 bildet dabei gleichzeitig den dritten Eingang D der Zweikanal-Transistorschalteinrichtung 72 und ist deshalb mit dem Ausgang des zweiten Regelverstärkers 45 verbunden. Der dritte Addierwiderstand 94 ist über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Schalttransistors 89 an den zweiten Eingang Cder Zweikanal-Transistorschalteinrichtung 72 und damit an den Ausgang des ersten Regelverstärkers 42 angeschlossen. Der zweite Addierwiderstand 93 liegt über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Schalttransistors 88 am Ausgang eines Umkehrverstärkers 87, dessen Eingang ebenfalls mit dem Ausgang des ersten Regel verstärkers 42 verbunden ist. Die Basis des Schalttransistors 88 ist über einen Widerstand 90 mit dem zweiten Ausgang Q 2 des /K-Flipflops 77 verbunden. In gleicher Weise liegt die Basis des Schalttransistors 89 über einen Widerstand 91 am ersten Ausgang Q1.

Die Impuls Verlängerungsstufe 64 ist in ihrer Schal- 2> tung genau gleich aufgebaut wie es in F ä g. 7 dargestellt ist. Die Funktionsweise eines //C-Flipflops, wie es als bistabile Kippstufe 77 verwendet wird, ist aus der digitalen Schaltungstechnik bekannt. Es wird hier zum Beispiel auf Dokter-Steinhauer: Digitale Elektronik so (Philips Fachbücher 1969) Band 1, Seiten 164 bis 167 verwiesen. Wenn an die Klemme 78 ein L-Signal gelegt wird, dann arbeitet das /K-Flipflop 77 als Frequenzteiler, d. h. die beiden Ausgänge aus Q 1 und Q2 wechseln bei jedem am Takteingang Γ eintreffenden Taktimpuls r> ihr Vorzeichen von O auf L oder umgekehrt. Da die beiden Ausgänge QI und Q 2 zueinander komplementär sind, geben sie immer entgegengesetzte Signale ab. Das bedeutet, daß der Ausgangsimpuls des ODER-Gatters 66, der die Einspritzdauer bestimmt, bei einem -to ersten Taktimpuls, bei dem der erste Ausgang Q1 ein L-Signal abgibt, über das erste UND-Gatter 79 zum ersten Leistungsverstärker 81 geleitet wird. Beim lächstfolgenden Taktimpuls gibt der zweite Ausgang ~)2 ein L-Signal ab, und der Ausgangsimpuls des ■»' IDER-Gatters 66 wird über das UND-Gatter 80 auf cn zweiten Leistungsverstärker 82 geleitet. Die beiden iruppen von Einspritzventilen 83, 84 bzw. 85, 86 erden also abwechselnd ausgelöst. Da das /K-Flipflop

als Frequenzteiler wirkt, muß die Drehzahl des ■> <· ockens 70 doppelt so hoch sein wie beim dritten isführungsbeispiel nach Fig. 7, wo nur eine Gruppe η Einspritzventilen vorgesehen ist.
Der Umkehrverstärker 87 ist gleich beschaltet wie ■ Vorverstärker 44 nach F i g. 2. Da der Umkehrver- ^Vi rker 87 genau die Verstärkung ν = — 1 aufweisen II, müssen in diesem Fall der Gegenkopplungswidernd 442 und der Eingangswiderstand 443 genau den ■ichen Widerstandswert aufweisen.
Aus Gründen der Vereinfachung sei nun für die «> ^Schreibung eines speziellen Regelvorganges zunächst ■genommen, daß die Betriebstemperatur des Thermoaktors (thermisch isolierte Abgas-Sammelleitung 23) reicht ist, und daß deshalb infolge der hohen emperatur am Ausgang des Operationsverstärkers 420 ^h' π ersten Regelverstärker 42 eine niedrige Spannung egl, deren Höhe durch die Dimensionierung des pannungsteilcrs 426,427 bestimmt ist. Diese Spannung muß genau so hoch sein wie die Ausgangsspannung des zweiten Regelverstärkers 45 beim Erreichen des Sollwertes der Luftzahl L Dann kann über die beiden Addierwiderstände 93,94 kein zusätzlicher Strom in den Korrektureingang B fließen, so daß der Korrektureingang B allein von der Ausgangsspannung des zweiten Regelverstärkers 45 beeinflußt wird. Weiterhin muß man durch geeignete Eemessung der Gegenkopplung im ersten Regelverstärker dafür sorgen, daß diese beim Erreichen der Reaktor-Betriebstemperatur abgegebene Spannung gleichzeitig die untere Grenzspannung des Operationsverstärkerausganges 420 ist. Eine niedrigere Spannung darf nicht auftreten.

In diesem speziellen Fall funktioniert das vierte Ausführungsbeispiel nach F i g. 9 genau gleich wie das dritte Ausführungsbeispiel nach Fig.7: Bei zu hoher Luftzahl wird über den Regelverstärker 45, den Addierwiderstand 92, den Trimmwiderstand 95 und den Korrektureingang B die Impulsdauer der Impulsverlängerungsstufe 64 vergrößert, so daß sich die Luftzahl L in negativer Richtung verändert.

Während des Warmlaufes der Brennkraftmaschine ist aber die Betriebstemperatur des Thermoreaktors noch nicht erreicht, so daß der erste Regelverstärker 42 eine positivere Ausgangsspannung an den zweiten Eingang C der Zweikanal-Transistorschalteinrichtung 72 abgibt. Wenn die erste Gruppe 83, 84 von Einspritzventilen betätigt wird, gibt der erste Ausgang Q1 ein L-Signal ab, das über den Widerstand 91 den Schalttransistor 89 leitend macht. Die erhöhte Ausgangsspannung des ersten Regelverstärkers 42 liegt dann über den dritten Addierwiderstand 94 am Korrektureingang B. Dadurch wird der Aufladestrom des Speicherkondensators 640 kleiner als er es infolge des Ausgangssignals des Sauerstoff-Meßfühlers 41 allein sein müßte. Die Impulsdauer der Impulsverlängerungsstufe 64 wird kleiner, und das Gemisch, das den zur ersten Ventilgruppe 83, 84 zugeordneten Zylindern zugeführt wird, wird magerer. Die Luftzahl L1 der ersten Zylindergruppe ist also größer als 1,0.

Beim nächsten Taktimpuls, der zum Takteingang T des y/C-Flipflops 77 gelangt, wird die zweite Ventilgruppe 85, 86 ausgelöst, weil der zweite Ausgang Q2 ein L-Signal abgigt. Jetzt ist der Schalttransistor 89 gesperrt und der Schalttransistor 88 leitend, so daß das Ausgangssignal des Umkehrverstärkers 87 dem Korrektureingang B der Impulsverlängerungsstufe 64 zugeführt wird. Die Eingangsspannung am Korrektureingang B ist daher niedriger als es dem Ausgangssignal des Sauerstoff-Meßfühlers 41 entsprechen würde. Im Gegensatz zur ersten Ventilgruppe wird daher bei der zweiten Ventilgruppe 85, 86 der Einspritzimpuls verlängert und die Luftzahl L 2 nimmt einen Wert an, der kleiner als 1,0 ist (fettes Gemisch). Die Abweichung der beiden Luftzahlen Li und Ll vom Mittelwert (Unsymmetrie) ist dabei wie bei den drei ersten Ausführungsbeispielen umso größer, je niedriger die Reaktortemperatur ist.

Der Unterschied gegenüber den drei ersten Ausführungsbeispielen besteht also darin, daß bei diesen die erste Luftzahl L 1 im gemeinsamen Ansaugrohr 13 und die zweite Luftzahl L 2 in der Abgas-Sammelleitung 23 eingestellt wird, während beim vierten Ausführungsbeispiel beide Luftzahlen in zwei Gruppen von Ansaugleitungen 14, 15 bzw. 16, 17 eingestellt werden. Beim vierten Ausführungsbeispiel liefern während des Warmlaufes die mit magerem Gemisch betriebenen Zylinder die Zusatzluft in die Abgas-Sammelleitung 23, während

voii den mit fettem Gemisch betriebenen Zylindern die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid kommen, welche zusammen mit der Zusatzluft in der thermisch isolierten Abgas-Sammelleitung 23 verbrannt werden.

Beim fünften Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 sind wieder Bauteile, die bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen auch verwendet werden, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht mehr gesondert beschrieben. Abweichend von den anderen Ausführungsbeispielen sind beim fünften Ausführungsbeispiel zwei getrennte Vergaser vorgesehen. Ein erster Vergaser besteht aus einem Ansaugrohr 13a, einer Drosselklappe 18a und einer Kraftstoffdüse 19a. Er führt den beiden Ansaugleitungen 14, 15 Luft-Kraftstoff-Gemisch zu. Ein zweiter Vergaser mit einer Drosselklappe 186, und einer Kraftstoffdüse 196, die in einem Ansaugrohr 136 angeordnet sind, versorgt die beiden anderen Ansaugleitungen 16, 17. Jedem Vergaser ist ein getrenntes Luftfilter 12a, 126 vorgeschaltet. Zwischen der Kraftstoffleitung 20 und den Kraftstoffdüsen 19a, 196 liegen zwei veränderbare Drosselstellen 53a, 536.

Zur Ansteuerung der beiden veränderbaren Drosselsteilen 53a, 536 dienen zwei Regelverstärker 45a, 456. An den ersten Regeiverstärker 42 ist wie beim vierten Ausführungsbeispiel der Umkehrverstärker 87 angeschlossen. Vom Ausgang des Vorverstärkers 44 führen zwei Addierwiderstände 100,101 zu den Eingängen der Regelverstärker 456, 45a. Ein weiterer Addierwiderstand 102 liegt zwischen dem Ausgang des ersten Regelverstärkers 42 und dem Eingang des Regelverstärkers 45a. Schließlich liegt noch ein weiterer Addierwiderstand 103 zwischen dem Ausgang des Umkehrverstärkers 87 und dem Eingang des Regelverstärkers 456.

Die Funktionsweise des fünften Ausführungsbeispiels nach Fig. 10 ähnelt sehr stark der Funktionsweise des vierten Ausführungsbeispiels. Der Ausgang des Vorverstärkers 44 im zweiten Regelkreis steuert symmetrisch beide Regelverstärker 45a, 456 für die Kraftstoffzumessung an. Mit Hilfe des zweiten Regelkreises wird also weiterhin die Luftzahl L auf den vorgewählten Optimalwert eingeregelt. Wenn die Reaktortemperatur unter der gewünschten Betriebstemperatur liegt, dann gibt der erste Regelverstärker 42 ein Ausgangssignal ab, das die beiden Regelverstärker 45a, 456 wegen des zwischengeschalteten Umkehrverstärkers 87 in entgegengesetztem Sinne beeinflußt. Es wird also z. B. im Regelverstärker 45a ein fettes und im Regelverstärker 456 ein mageres Gemisch eingestellt. Der erwünschte Grad der Unsymmetrie zwischen den beiden Luftzahlen L 1 und L 2 in den beiden Vergasern läßt sich durch die Dimensionierung der Addierwiderstände 102, 103 einstellen. Wie beim vierten Ausführungsbeispiel ist die Unsymmetrie wieder umso größer, je niedriger die Temperatur des Thermoreaktors 28 ist.

Es ist ohne weiteres möglich, anstelle der veränderbaren Drosselstcllen 53a, 536 bei den beiden Vergasern je einen Bypaß mit einem Bypaßventil vorzusehen. Die Funktionsweise des fünften Ausführungsbeispiels wird dadurch nicht beeinflußt.

Das zur Entgiftung der Abgase verwendete Verfahren ist bei allen fünf Ausführungsbeispielen grundsätzlich gleich: Zunächst wird in einem zweiten Regelkreis die Luftzahl L des den Zylindern zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches geregelt Bei zu niedriger Reaktortemperatur wird weiterhin mit Hilfe des ersten Regelkreises wenigstens bei einem Teil der Zylinder das Gemisch mit Kraftstoff angereichert, so daß sich eine erhöhte Grundemission an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid ergibt Diese erhöhte Grundemission wird durch die Zugabe von Zusatzluft — wiederum mit Hilfe des zweiten Regelkreises — genau kompensiert, so daß im Thermoreaktor eine möglichst vollständige Nachverbrennung stattfinden kann.

Beim vierten und fünften Ausführungsbeispiel wird die Zusatzluft über einen Teil der Zylinder geführt, sie ist daher beim Aus'.ritt aus den Zylindern schon sehr stark erhitzt und eine Zündung des Abgas-Zusatzluft-Gemisches ist auch schon weit unterhalb der Reaktor-Betriebstemperatur sichergestellt. Die Zündung diese? Abgas-Zusatzluft-Gemisches kann bei den ersten drei Ausführungsbeispielen Schwierigkeiten bereiten, wenn die Brennkraftmaschine U in sehr kalter Umgebung warmläuft und wenn gleichzeitig aus konstruktiver;

^2ί Gründen die Druckleitung 34 nicht nahe genug bei den Auslaßventilen in die Abgasleitungen 24 bis 27 mündet. Abhilfe kann in d^;esem Fall dadurch geschaffen werden, daß während des Warmlaufes der Brennkraftmaschine

— wie es schon anderweitig vorgeschlagen worden '

— der Zündzeitpunkt in Abhängigkeit vom Ausgar signal des ersten Regelverstärkers 42 in Richtung Spätzündung verschoben wird. Bei Spätzündung sei gen nämlich nach dem Öffnen der Auslaßventile nt lange Flammen in die Abgasleitungen 24 bis 27.

^ Schließlich sei noch ein weiterer gemeinsamer Vortc aller fünf Ausführungsbeispiele erwähnt: Während de Warmlaufes hat das den Zylindern zugeführts Gemisc¹ nicht die optimale Luftzahl L = 0,98, sondern eine star davon abweichende Luftzahl. Wie man aus Fig. 1

sieht, wird dadurch die Grundemission an Stickoxidei wesentlich vermindert. Das ist sehr günstig, wei zunächst auch der katalytische Reaktor 29 seine Betriebstemperatur von 600 bis 800⁰C noch nicht erreicht hat und deshalb die Stickoxide noch nicht

⁴⁾ reduzieren kann. Die Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid werden auf jeden Fall auch, schon während des Warmlaufes wesentlich besser nachver brannt, als es bei bekannten Verfahren möglich ist.

Es kann unter Umständen zweckmäßig sein, einzelm

^j0 Baueinheiten der fünf beschriebenen Ausführungsbei spiele auf andere Weise miteinander zu kombinieren al· es bei den fünf Ausführungsbeispielen beschrieben ist So läßt sich z. B. der vereinfachte Thermoreaktor de vierten Ausführungsbeispiels auch bei den anderer,

^j5 Ausführungsbeispielen einsetzen. Auch die Antriebe füi die Sekundärluftpumpe 32 sind beliebig gegeneinander austauschbar. So ist es möglich, das beschriebene Verfahren bei sehr verschiedenen Arten von Brennkraftmaschinen und Gemischdosierungssystemen einzu-

setzen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verringerung des Schadstoffgehalts in den Abgasen einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und einer Gemischerzeugungsanlage für das in den Brennräumen der Brennkraftmaschine zur Verbrennung kommende Betriebsgemisch, wobei die Betriebsgemischzusammensetzung in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine auf einen gewünschten Wert mit Hilfe einer Steuer- oder Regeleinrichtung gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine einem Teil der Zylinder ein zündfähiges erstes Betriebsgemisch zugeführt wird, das gegenüber dem gewünschten Wert um einen bestimmten Betrag abgemagert ist und daß dem anderen Teil der Zylinder ein zündfähiges zweites BetrieDsgemisch zugeführt wird, das komplementär zur Zusammensetzung des ersten Betriebsgemisches angereichert ist, wobei die Summe der zugeführten Betriebsstoffe den gewünschten Wert der Gesamtbetriebsgemischzusammensetzung ergibt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischerzeugungsanlage eine Einspritzanlage mit einer Zweikanal-Transistorschalteinrichtung (72) und zwei abwechselnd auslösbaren Gruppen von Einspritzventilen (73, 74) enthält und daß die elektrischen Eingänge der beiden Einspritzventil (73, 74) mit zwei Ausgängen (E, F) der Zweikanal-Transistorschalteinrichtung (72) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweikanal-Transistorschalteinrichtung eine Reihenschaltung aus einem synchron zur Kurbelwellendrehzahl auslösbaren Impulsgeber (69), einer vorzugsweise als monostabile Kippstufe ausgebildete Schaltstufe (63) und einer Impulsverlängerungsstufe (64) besteht und daß die Ausgänge der Schaltstufe (63) und der Impulsverlängerungsstufe (64) mit Eingängen eines ODER-Gatters (66) verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Impulsgeber (69) eine als Frequenzteiler dienende bistabile Kippstufe (77) mit zwei zueinander komplementären Ausgängen (Q 1, Q2) angeschlossen ist, daß die beiden Ausgänge (Q 1, Q 2) mit je einem Eingang eines UND-Gatters (79) und eines UND-Gatters (80) verbunden sind und daß der Ausgang des ODER-Gatters (66) mit je einem Eingang der UND-Gatter (79, 80) verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gruppe von Einspritzventilen (73, 74) über einen Leistungsverstärker (81) vom UND-Gatter (79) ansteuerbar ist und daß die zweite Gruppe von Einspritzventilen (75, 76) über einen Leistungsverstärker (82) vom UND-Gatter (80) ansteuerbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweikanal-Transistorschalteinrichtung (72) einen zweiten Eingang (D) zur Impiilsdauerbeeinflussung hat, der mit einer einen die Zusammensetzung des Abgases charakterisierenden Parameter erfassenden Regeleinrichtung verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung einen im

Abgassystem der Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoff-Meßfühler (41), und einen nachgeschalteten Regelverstärker (45) enthält und daß der Ausgang des Regelverstärkers (45) über einen Addierwiderstand (92) an einen die Impulsdauer beeinflussenden Korrektureingang (B) der Impulsverlängerungsstufe (64) angeschlossen isL

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gemischerzeugungsanlage zwei Vergaser (18a, 19a bzw. 186, \9b) vorgesehen sind, die jeweils einen Teil der Zylinder der Brennkraftmaschine (11) mit Luft-Kraftstoff-Gemisch versorgen und Verstelleinrichtungen zur Änderung des Anteils wenigstens einer der Betriebgemisch bildenden Stoffe aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtungen (53a, 53tymit einer Regeleinrichtung verbunden sind, durch die die Einstellung von wenigstens einem der Vergaser in Abhängigkeit von einem die Zusammensetzung der Abgase charakterisierenden Parameter veränderbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Vergaser ein Regel verstärker (45a, 456,} zugeordnet ist, denen ein gemeinsamer Vorverstärker (44) vorgeschaltet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker (44) über je einen Addierwiderstand (100, 101) an die Eingänge der Regelverstärker (45a, 456_>)angeschlossen ist.