DE2518852A1

DE2518852A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die steuerung eines elektroventils zur regulierung des luft-brennstoffgemisches von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2518852A1
Application number: DE19752518852
Authority: DE
Inventors: Pierre Gele
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-05-24
Filing date: 1975-04-28
Publication date: 1975-12-04
Also published as: SE7504826L; JPS5129628A; FR2313568A1; FR2313568B1; GB1512094A; NL7505141A; US4022171A; IT1037657B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Steuerung eines Elektroventils zur Regulierung des Luft-Brennstoffverhältnisses von Brennkraftmaschinen. Es ist bekannt, die Korrektur des Luft-Brennstoffgemisches von Brennkraftmaschinen mit Hilfe eines Sekundärluftkanals im Ansaugkanal vorzunehmen, wobei der Sekundärluftkanal mit Hilfe einer Ventilklappe gesteuert wird, die ausschließlich oder teilweise in Abhängigkeit von Informationen betätigt wird, die durch eine Sonde geliefert werden, die den

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Gehalt an Sauerstoff (oder an CO) mißt oder in allgemeiner Weise die Zusammensetzung des Abgases mißt.

Die bisherige praktische Anwendung solcher Vorrichtungen führte zu erheblichen komplexen Problemen. Der Einsatz einer Brennkraftmaschine erfordert einen großen Dosierungsspielraum, der in der Hauptsache von der Drehzahl sowie vom Ansaugdruck abhängig ist. Es muß daher ein Regulierungssystem auf einen großen Durchsatzspielraum oder Dosierspielraum ansprechen, um für jeglichen Motorbedarf die Korrektur gewährleisten zu können und gleichzeitig eine ausreichende Sensibilität für gute Präzision einzuhalten und genügend Ansprechzeit zu belassen, die mit der Drehzahl des Motors verträglich ist.

Ein solches System muß eine Regulierungspräzision unterhalb 2 % gewährleisten.

Andererseits darf die Sekundärluftzuführung nicht die Homogenität des Gemisches modifizieren, damit eine vollständige Verbrennung in den Zylindern gewährleistet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannten Schwierigkeiten zu beseitigen und ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Steuerung eines solchen Ventils zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die von der Sonde gelieferte Spannung mit einer auf Bezugsniveau stabilisierten Spannung

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verglichen und die erhaltene Spannungsdifferenz mit Impulsen verglichen, die durch einen Sägezahnimpulsgenerator mit feststehender Amplitude und feststehender Frequenz geliefert werden, so daß man Rechteckimpulse erhält, die eine konstante Wiederholungsfrequenz und eine.- in Abhängigkeit von der durch die Sonde gelieferten Spannung variable Breite haben, wobei man 'solche Impulse zwischen zwei vorbestimmten Grenzwerten erhält, während außerhalb dieser Grenzwerte das Ventil vollständig offen oder vollständig geschlossen ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt eine in den Abgasstutzen des Motors ragende Sonde, die eine in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt des Abgases variierende Spannung liefert,ferner eine Quelle für eine stabilisierte Spannung, einen Vergleicher und Verstärker für die Spannungsdifferenz der eine der Differenz zwischen den beiden vorgenannten Spannungen proportionale Spannung liefert, einen Generator, der Sägezahnimpulse konstanter Frequenz und Amplitude liefert, einen Vergleicher, der Rechteckimpulse erzeugt und einerseits die Spannung des -Vergleichers und Verstärkers der Spannungsunterschiede und die Sägezahnimpulse empfängt und für alle Spannungsdifferenz, die kleiner als ein Absolutwert der Amplitude der Sägezahnimpulse ist, einen Rechteckimpuls liefert, dessen Wiederholungsfrequenz gleich derjenigen der Sägezahnimpulse ist und dessen Breite oder Dauer in Abhängigkeit von der Spannung variabel ist, die durch den Vergleicher und Verstärker der Spannungsunterschiede gdiefert wird und der für alle Spannungsdifferenzen, die größer als der Absolutwert

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sind, ein Dauersignal liefert, sowie ferner ein Elektroventil, das durch dieses Signal gesteuert wird und einen Sekundärluftkanal kontrolliert, der stromab der Dosiervorrichtung für das Luft-Brennstoffgemisch in den Ansaugkanal mündet.

Man erhält auf diese Weise eine Schwelle, unterhalb der das Elektroventil geschlossen bleibt, wobei diese Schwelle durch die stabilisierte gewählte Spannung festgelegt ist und den Sauerstoffpegel (oder CO-Pegel) bestimmt, von dem aus das Luft-Brennstoffgemisch eine Korrektur erfährt. Ferner erhält man eine progressive Korrekturzone, die den Spannungsdifferenzwerten entspricht, die unterhalb der Amplitude der Sägezähne liegen.Schließlich erhält man eine Korrekturzone, in der das Elektroventil vollständig offen oder vollständig geschlossen bleibt und die den Spannungsdifferenzwerten entspricht, die über der Amplitude der Sägezähne liegen.

Gemäß der Erfindung können die folgenden Parameter regulierbar sein: die stabilisierte Spannung, die Amplitude der Sägezähne, der Verstärkungsgrad der Impulse; hierdurch ist es möglich, die Anfangsschwelle, die Zone progressiver Korrektur und die Leistung in Abhängigkeit vom verwendeten Elektroventil zu regeln.

Erfindungsgemäß sollte die Wiederholungsfrequenz im Bereich von 5 bis 20 Hz und vorzugsweise im Bereich von 8 bis 15 Hz liegen, was der mittleren Drehzahlen von Motoren

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(1000 bis 2000 Umdrehungen) entspricht. Vorteilhaft kombiniert man außerdem die vorgenannten Maßnahmen mit Maßnahmen Bezüglich der Drehzahlen bei Leerlauf und geringer Belastung, z.B. mit Hilfe eines Kontaktgebers, der das Elektroventil in diesen Drehzahlbereichen oder Betriebsbereichen in Schließstellung hält.

Es handelt sich beispielsweise um einen Kontaktgeber, der betätigt wird, wenn die Stellung des Gaspedals oder der Hauptdrosselklappe dem Leerlaufbetrieb oder geringer Belastung entspricht.

Vorteilhaft wird ein regulierbares Ventil in dem Sekundärluftkanal vorgesehen, das betätigt wird, um einen Druckabfall hervorzurufen, der mit zunehmendem Unterdruck im Ansaugkanal größer wird.

Diese Anordnung, die es ermöglicht, den Motordruck im Sekundärluftkanal zu regulieren, könnte auch in Form eines Ventils verwirklicht v/erden, das mechanisch an die Hauptdrosselklappe in der Weise angeschlossen ist, daß es gleichzeitig mit dieser schließt.

Das Ventil könnte auch in gleicher V/eise durch den Unterdruck gesteuert werden, der in dem Ansaugkanal herrscht, und zwar mit Hilfe einer Membrankapsel. Die Erfindung kann auch bei einem Vergaser oder einer Dosiervorrichtung für ein Luft-Brennstoffgemisch verwirklicht werden, die einen Neben-

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kanal oder ein Sekundärluftkanal besitzt, der durch ein Elektroventil gesteuert wird, das seinerseits durch Rechteckimpulse mit konstanter Wiederholungsfrequenz und einer Dauer gesteuert werden kann, die in Abhängigkeit von Informationen einer Sonde variiert, die in den Abgasstutzen eingesetzt ist.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 ist ein elektrischer Schaltplan für die Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 und H zeigen graphisch die erzielten Resultate.

In der Fig. 1 erkennt man, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Sekundärluftkanal 6 besitzt, der in das Ansaugrohr 3 einmündet und das Luft-Brennstoffgemisch korrigieren soll, das den Kolben 1 über den Vergaser 2 oder eine andere Dosiereinrichtung zugeleitet wird; der Sekundärluftkanal 6 wird durch ein Elektroventil gesteuert, das die elektrischen Informationen durch eine Sonde 3 erhält, die in den Abgasstutzen. 4 eingesetzt ist, wobei diese Informationen durch elektronische Einrichtungen 9 transformiert werden.

Die Arbeitsweise und die Steuereinrichtung des Elektroventils 7 sind in Fig. 2 dargestellt.

Der Gehalt an Sauerstoff oder Kohlenstoffmonoxyd im Abgas wird mit Hilfe der Sonde 8, beispielsweise ein Festkörperelektrolytelement (ZrCU) gemessen.

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Man definiert oder gibt eine Bezugsspannung vor, die vorzugsweise gleich der elektromotorischen Kraft ist, die die Sonde 8 liefern würde, wenn die Konzentration an O₂ den erwünschten Wert hätte. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß die Bezugsspannung, die bei 12 geliefert 'wird, die Konzentration von Op definiert, die man im Abgas wünscht. Diese Spannung ist vorzugsweise bei 11 einstellbar.

Bei 10 befindet sich vorzugsweise ein Filter, der die durch die Sonde 8 angelegte Spannung von .Spannungsstorungen reinigt. Die Differenz R zwischen der Spannung der Sonde ⁸ und der durch 12 gelieferten stabilisiertc-n Spannung wird gemessen und bei 13 verstärkt. Unter Einwirkung auf die Verstärkung G dieses Verstärkers regelt man das Band der Spannungen, in dem sich diese Differenzwerte befinden.

Man vergleicht bei 14 die Augenblicksspannungen, die einerseits durch 13 und andererseits durch den Dreiecksignalgenerator 15 anliegen. Diese Signale sind Sägezahnsignale mit feststehender Amplitude 2U und einstellbarer Frequenz T vorzugsweise symmetrisch zu Null, wobei die Spannung von +U nach -U geht.

Am Ausgang des Vergleichers 14 erhält man somit:

Entweder ein permanentes positives Signal, wenn GE größer oder gleich +U ist»

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oder ein permanent negatives Sirnal, wenn GE kleiner oder gleich -U ist₇

oder Zacken mit einer festen Wiederholungsfrequenz T und einem zu E proportionalen Tastverhältnis, wenn GE zwischen -U und +U liegt.

Ein Verstärker 16 liefert einem Elektroventil 7 Signale derselben Form aber einer an das Elektroventil 7 angepaßten Stärke.

Ein permanentes positives Signal entspricht einem erheblichen Überschuß an CO und veranlaßt, dauerndes Öffnen des Elektroventils 7·

Das ständig negative Signal entspricht einem Überschuß an Sauerstoff im Abgas und verursacht das dauernde Schließen des Elektroventils 7.

Zwischen diesen beiden Werten erhält man einen wiederholten und progressiven Einsatz des Elektroventils in der Art, daß E so klein wie möglich wird, und zwar unter Vermittlung einer geeigneten Wahl für die Abmessungen des Sekundärluftkanals 6 und der Kennwerte des Elektroventils 7.

Wenn der Gehalt an CO im Abgas ansteigt, öffnet sich das Elektroventil 7 bei jedem Zyklus länger und korrigiert das Gemisch im Sinne einer Minderung dieses Gehalts. Das System arbeitet somit selbstregelnd, wobei die Betriebsspannung bei

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12 den Wert regelt, bei dem sich der Gehalt an CO im Abgas stabilisiert. . .

Der Arbeitspunkt kann durch ein Potentiometer eingestellt werden, wie es bei 11 angedeutet ist. Die gleichzeitige Beobachtung der durch die Sonde 8 gelieferten elektromotorischen Kraft und der Anzeige eines CO-Analysators gestattet experimentelle Einstellung.

Das Proportionalband ist in gleicher Weise durch ein Potentiometer einstellbar, das die Verstärkung G des Differenzspannungsverstärkers 13 regelt. Die optimale Breite des Bands hängt von den gesamten Kennwerten der Vorrichtung unter Einschlußderjenigen des Motors ab. Man muß daher die Bandbreite experimentell an Prototypen oder durch Tasten und Messen einstellen; einer Verkleinerung der Bandbreite entspricht eine Verbesserung der Feinheit der Regulierung, wobei man gleichzeitig eine mangelnde Stabilität riskiert, so daß man zu Kompromißlösungen kommt. Bei jedem Zyklus hebt sich das Elektroventil während einer Zeitspanne t. Wenn T die Periode des Sägezahns ist, ist t/T durch E definiert und es ist t um so kleiner je kleiner T ist. Die Frequenz oder die Periode des Sägezahns sollte daher derart eingestellt werden, daß man eine befriedigende Regelmäßigkeit der Sekundärluftzufuhr sowie gleichzeitig ein gutes Ansprechen und gute zeitliche Konstanz des Elektroventils 7 erreicht, was ebenfalls dazu führt, einen Kompromißwert hinzunehmen.

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Die Fig. 3 und U zeigen die erhaltenen Resultate. Die Fig. 3 gibt den Prozentgehalt an CO im Abgas in Abhängigkeit von der Drehzahl N des Motors bei normalem Einsatz.

Die Kurve I entspricht einem Motor ohne die Vorrichtung nach der Erfindung.

Die Kurve II entspricht derjenigen eines Motors mit einer Vorrichtung nach der Erfindung.

Die Fig. U zeigt den entsprechenden spezifischen Verbrauch in Gramm/Pferdestärke/Stunde in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors.

Man erkennt, daß die Kurve II eine mittlere Einsparung von über 10 % verdeutlicht.

Diese Kurven sprechen für sich selbst und zeigen die Vorteile der Erfindung.

In der Fig. 1 erkennt man.bei 20 ein Ventil, das an die Drosselklappe 21 des Vergasers angeschlossen ist. Dieses Ventil sorgt für einen Druckabfall, der um so größer ist, je größer der Unterdruck im Ansaugkanal 3 ist, und liefert somit eine mqtordrehzahlabhängige Korrektur, wodurch man den Betriebsbereich mit geringer Belastung und großer Drehzahl von den Betriebsbereichen mit hoher Belastung und niedriger Drehzahl unterscheiden kann.

Das gleiche Resultat könnte man durch ein Schiebeventil oder eine Ventilklappe 20 erhalten, die durch den Unterdruck betätigt wird, der im Ansaugkanal herrscht und über eine Membrankapsel wirkt.

Die Vorteile dieser Anordnung sind im einzelnen in der französischen Patentschrift 73.23^53 beschrieben.

In gleicher Weise gestattet eine Vorrichtung, wie der Kontaktgeber 22, der an das Gaspedal angeschlossen ist oder an die Drosselklappe 21, den Einsatz des Elektroventils 7 beiLeerlauf oder geringer Last zu unterbrechen, wo es notwendig ist, im Abgas einen Anstieg des CO-Gehalts zuzulassen.

Die gewählte Wiederholungsfrequenz der bei 15 gelieferten Sägezahnimpulse kann in weiten Grenzen variieren.

Es wird in jedem Fall bevorzugt₉ daß sie den normalen Motordrehzahlen entspricht und in der Größenordnung von 5 bis 20 Hz, vorzugsweise von 8 bis 15 Hz liegt.

Ein geeigneter Wert für die Gesamtamplitude 2U der Sägezähne liegt in der Größenordnung von *J V.

Im dargestellten Beispiel wird der Sekundärluftkanal mit Freiluft gespeist.

Es versteht sich von selbst, daß der Sekundärluft-509849/0646

kanal unter Druck gespeist werden kann, z.B. mit Hilfe einer Pumpe und daß er vorzugsweise über einen Filter gespeist wird, wie er bei 17 in Fig. 1 angedeutet ist; insbesondere kann er die Form eines vom Vergaser 2 ausgehenden Nebenkanals haben.

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Claims

Patentansprüche

, 1./Verfahren zur Steuerung eines Elektroventils für die Regulierung eines Sekundärluftkanals, der in einen Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine mündet, dadurch gekennzeichnet, daß man den Sauerstoffgehalt des Abgases mit Hilfe einer Sonde mißt, die eine zu dieser Konzentration proportionale Spannung liefert, daß man diese Spannung mit einer stabilisierten Spannung vergleicht und die Spannungsdifferenz (E) mit Impulsen vergleicht, die ein Sägezahngenerator mit festgelegter Amplitude und Frequenz liefert, wobei die erhaltenen Signale nach Verstärkung zur Steuerung des Elektroventils verwendet v/erden und die Dauer der Signale die Öffnungszeit des Elektroventils bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabilisierte Spannung regelbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zvfischen der Spannung der Sonde und der stabilisierten Spannung verstärkt wird und die Amplitude der Sägezähne so gewählt wird, daß man für alle unterhalbdieser Amplitude liegenden Werte der verstärkten Spannungsunterschiede eine Zone progressiven Einsatzes des Elektroventils erhält, das eine Dauerstellung einnimmt, wenn die verstärkte Spannungsdifferenz die besagte Amplitude überschreitet.

U. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, 609849/0646

- 15 daß die Verstärkung de*" Spannungsdifferenz regelbar ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erhaltenen Signale benutzt werden, um das Flektroventil mit Hilfe eines einstellbaren Verstärkers zu steuern.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die· Wiederholungsfrequenz des Sägezahnimpulsgenerators in der Größenordnung von 5 bis 20 Hz und insbesondere von 8 bis 15 Hz
liegt. "

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach Anspruch 1 zur Korrektur des Luft-Brennstoffgemisches einer Dosiervorrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Sekundärluftkanal, der in den Ansaugkanal mündet und .durch ein
Elektroventil gesteuert wird, das mit elektrischen Informationen einer Sonde beliefert wird, die in den Abgasstutzen
eingesetzt ist und die Zusammensetzung der verbrannten Gase mißt, gekennzeichnet durch eine Quelle (12) für eine stabilisierte Spannung, durch einen Spannungsunterschied-Vergleicher und -Verstärker (13), an dem die Spannung der Sonde (8) und die stabilisierte Spannung anliegen und der eine zur Spannungsdifferenz zwischen beiden vorhergehenden Spannungen proportionale Spannung liefert, durch einen Impulsgenerator (15), der Sägezahniinpulse mit einer konstanten Frequenz und Amplitude liefert, durch einen Vergleicher, der Impulse liefert, die

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sich einerseits aus der durch den Vergleicher (13) gelieferten Spannung und andererseits aus den Sägezahnimpulsen ergeben und der für alle verstärkten Spannungsdifferenzen, die unter einem Absolutwert der Sägezahnamplitude liegen,einen Rechteckimpuls liefert, dessen Wiederholungsfrequenz diejenige des Sägezahns ist und dessen Breite in Abhängigkeit von der Spannung variabel ist, die durch den Vergleicher der Spannungsdifferenzen geliefert wird, und mit der für alle darüberliegenden Spannungsdifferenzen ein Dauersignal liefert, wobei die Signale für die Steuerung des Elektroventils (7) benutzt werden das den Sekundärluftkanal (δ) steuert, und wobei die Dauer der Signale die Öffnungszeit des Elektroventils bestimmen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß Einrichtungen (11) vorgesehen sind, um die Spannung zu regulieren, die durch die Quelle für die stabilisierte Spannung (12) geliefert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um die Verstärkung de^r Spannungsdifferenz zu regulieren, der durch den Spannungsdifferenz -Vergleicher und -Verstärker (13) geliefert wird.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholungsfrequenz der Sägezähne i_n der Größenordnung von 5 bis 20 Hz und vorzugsweise von 8 bis 15 Hz liegt.

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11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um das Elektroventil im Leerlauf und bei geringer Belastung zu schließen.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärluftkanal (6) geeignete Einrichtungen (20) aufweist, um in dem Sekundärluftkanal einen zum Unterdruck im Ansaugkanal (3) proportionalen Druckabfall zu erzeugen.

13· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtungen ein Ventil sind, das durch den Unterdruck im Ansaugkanal gesteuert wird.

lh. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtungen ein Ventil sind, das durch die Drosselklappe (21) des Vergasers (2) gesteuert wird.

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