DE2615377A1 - Verfahren und einrichtung zur steuerung und ueberwachung des luft/brennstoffverhaeltnisses fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

D-8000 München 22 D-48OO Bielefeld

Triftstraße 4 Siekerwall 7

PG23-75237 8. April 1976

NISSAN MOTOR COMPANY, LTD, No. 2 Takara-machi
Kanagawa~ku
Yokohama City_f Japan

Verfahren und Einrichtung zur Steuerung und Überwachung des Luft/Brennstoffverhä,ltnisses für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Brennkraftmaschinen für Automobile und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung des Luft/Brennstoffverhältnisses bei Kraftfahrzeugmotoren, die zu Abgasreinigungs- und Entgiftungszwecken im Abgassystem einen katalytischen Konverter aufweisen.

Neuere Kraftfahrzeuge werden zum Teil mit im Motorabgassystem angeordneten katal,y tischen Konvertern ausgerüstet, um giftige, die Luft belastende Bestandteile in den Motorabgasen in eine

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oder mehrere harmlose Zusammensetzungen umzusetzen, bevor die Abgase in die Außenluft abgegeben werden. Als typisches Beispiel für solche katalytischen Konverter sei auf jenen Typ hingewiesen, bei dem ein oxidativer Katalysator verwendet wird, der reoxidierend auf unverbrannte brennbare Restbestandteile wirkt, beispielsweise auf in den von den Motorzylindern abgegebenen Abgasen enthaltene Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid, die in harmlose Zusammensetzungen wie Kohlendioxid und Wasser umgesetzt werden. Versuche mit oxidierend wirkenden Katalysatoren dieser Art haben ergeben, daß der Katalysator nicht nur auf diese brennbaren Verbindungen reaktiv wirkt, sondern auch hinsichtlich einer Verminderung der in den Abgasen enthaltenen Stickstoffoxiden (NO ) wirksam ist, voraus-

gesetzt, daß die durch den Katalysator zu beeinflussenden Bestandteile innerhalb bestimmter Anteilsbereiche vorliegen, die bestimmt sind durch das Luft/ Brennstoffverhältnis des in den Motorzylindern verbrannten Gemischs, Ein mit einem solchen oxidierend wirkenden Katalysator ausgerüsteter katalytischer Konverter wirkt also in dreifacher Weise auf die Abgase einer Brennkraftmaschine und vermindert die unterschiedlichen Arten von luftverschmutzenden Zusammensetzungen in einer einzigen Baueinheit, sofern das den Motorzylindern zugeführte brennbare Gemisch hinsichtlich seines Luft/Brennstoffverhältnisses innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Die Versuche haben weiterhin ergeben, daß sich ein maximaler Umwandlungs-Wirkungsgrad bei solchen dreifach wirkenden katalytischen Konvertern oder "Dreikomponenten"-Konvertern für die drei Arten von luftverschmutzenden Bestandteilen in den Abgasen ergibt, wenn das stöchiometrische Verhältnis von etwa 14,7:1 eingehalten wird. Aus diesem Grund besteht ein Bedarf für eine Brennkraftmaschine, die einerseits mit einem solchen dreifach wirkenden katalytischen Konverter und andererseits mit einem Brennstoffgemischverhältnis-Kontrollsystem ausgerüstet ist, mit dem sich das Luft/Brennstoffver hältnis des im Gemischzufuhrsystem der Maschine erzeugten Ge-

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mischs in Richtung auf das stöchiometrische Verhältnis hin einregulieren läßt.

Das in Verbindung mit einem dreifach wirkenden katalytischen Konverter verwendete Gemischverhältnis-Steuer- und Überwachungssystem umfaßt einen Abgassensor, der auf die Konzentration einer bestimmten chemischen Komponente in den Abgasen anspricht und ein der festgestellten Konzentration entsprechendes Analogsignal erzeugt. Die chemische Zusammensetzung der Abgase entspricht ziemlich genau dem Luft/Brennstoffverhältnis des in dem Gemischzufuhrsystem der Maschine erzeugten Gemischs, so daß ein auf der Grundlage eines solchen durch den Abgassensor gelieferten Signals betriebenes Gemischverhältnis-Steuer- und Überwachungssystem eine genaue und zuverlässige Überwachung des Luft/Brennstoffverhältnisses des in dem Gemischzufuhrsystem erzeugten Gemischs in Richtung auf einen bestimmten Wert ermöglicht, etwa den erwähnten stöchiometrische Verhältniswert.

Die durch den Abgassensor zu erfassende chemische Komponente kann Sauerstoff, Kohlenmonoxid oder -dioxid, ein Kohlenwasserstoff oder Stickstof f oxide sein, obgleich aus Gründen der einfacheren Erfassung Sauerstoff bevorzugt wird.

Das durch den Abgassensor erzeugte Analogsignal speist eine elektrische Steuerschaltung, die an eine Magnetventileinheit angeschlossen ist, mittels der sich der Luft- oder Brennstoffstrom verändern läßt, der in Abhängigkeit vom durch die Steuerschaltung auf der Grundlage des Analogsignals vom Abgassensor erzeugten Ausgangssignals in das Gemischzufuhrsystern gelangt. Das Ausgangssignal der Steuerschaltung liegt üblicherweise als Impulsfolge vor, deren Impulsbreiten und Frequenz so variierbar sind, daß eine Abweichung zwischen dem durch den Abgassensor erzeugten Analogsignal und einem Bezugssignal beseitigt oder vermindert wird, das einem bestimmten Luft/Brenn-

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Stoffverhältnis etwa dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht. Die Ventileinheit wird damit so betätigt, daß sie abwechselnd öffnet und schließt mit einer Frequenz bzw. für Zeitperioden, die vorgegeben sind durch die Frequenz bzw. Impulsbreite der diese Einheit beaufschlagenden Impulse. Diese Ventileinheit bestimmt also den in das Gemischzufuhrsystem gelangenden Luft- oder Brennstoffstrom in der Weise, daß das Luft/Brennstoffverhältnis des Gemischs dem Wert angenähert wird, der durch das den Überwachungskreis konditionierende Bezugssignal bestimmt ist.

Mittels des vom Abgassensor gelieferten Signals ist die Steuer- und Überwachungsschaltung in der Lage, das Luft/Brennstoffverhältnis des in den Motorzylindern zu verbrennenden Gemischs genau so zu überwachen,daß das Luft/Brennstoffverhältnis des im Gemischzufuhrsystem der Maschine erzeugten Gemischs konstant auf den vorgeschriebenen Wert, etwa das stöchiometrische Verhältnis hin reguliert wird, so daß der katalytische Konverter bei maximalem Umwandlungs-Wirkungsgrad arbeitet. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, wie außerordentlich schwierig und praktisch fast unmöglich es ist, das Luft/Brennstoffverhältnis des Gemischs insbesondere bei mit einem Vergaser als Gemischzufuhrsystem versehenen Brennkraftmaschinen genau einzuregulieren und gleichbleibend auf einem bestimmten Wert zu halten wegen der Schwankungen der Betriebsbedingungen der Maschine, der Verzögerung bei der Rückmeldung der Information vom Abgassystem zum Steuer- und überwachungssystem, den Änderungen in den Umgebungsbedingungen, etwa dem Atmosphärendruck, der Temperatur und den externen Störungen, etwa Stoßen und Vibrationen, die die mechanischen Bauteile des Steuer- und überwachungssystems beeinflußen. Es ist daher zu bevorzugen, das Steuer- und Überwachungssystem für das Brennstoffverhältnis so auszulegen, daß dieses Verhältnis innerhalb eines bestimmten Bereichs schwanken kann, d.h. eines Bereichs, in dem sowohl die Leistungsfähigkeit der Maschine als auch des katalytischen Kon-

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verters im Rahmen der unterschiedlichen Betriebsbedingungen der Maschine nicht wesentlich beeinflußt werden.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, mit der sich dieser dem Fachmann im Prinzip bekannte Grundgedanke in einem Steuer- und Überwachungssystem für das Luft/Brennstoffverhältnis für eine Brennkraftmaschine mit katalytischem Konverter im Abgassystem in vorteilhafter Weise verwirklichen läßt.

Eine Lösung dieser technischen Aufgabe ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen, für die vorteilhafte Weiterbildungen in der nachfolgenden Beschreibung sowie in Unteransprüchen angegeben sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der zu bevorzugende Bereich des Luft/BrennstoffVerhältnisses zwischen etwa 10:1 und etwa 20:1, wenn die Brennkraftmaschine ein mit Benzin zu betreibender Motor ist und als katalytischer Konverter der zuvor beschriebene dreifach wirkende Typ vorgesehen wird. Ist das Gemischzufuhrsystem für den Benzinmotor ein Vergaser, so kommt für das Luft/Brennstoffverhältnis vorzugsweise ein Bereich zwischen etwa 11:1 und etwa 18:1 in Frage. Insbesondere ist es vorteilhaft, für den Bereich des Luft/Brennstoffverhältnisses eine Ober- bzw. Untergrenze vorzusehen, die jeweils etwa 5% über bzw. unter dem erwähnten optimalen Luft/Brennstoffverhältnis liegt.

Eine Einrichtung zur Steuerung und Überwachung des Luft/Brennstoffverhältnisses im Gemischzufuhrsystem einer Brennkraftmaschine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist gekennzeichnet durch die in Vorrichtungsansprüchen aufgeführten Merkmale, für die vorteilhafte Weiterbildungen ebenfalls in der nachfolgenden Beschreibung und weiteren Unteransprüchen angegeben sind.

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Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweiser Verfahrensführuiig und Ausführungsform erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Die schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine, die mit einer erfindungsgemäßen Verbesserung versehen ist;

Fig. 2 die graphische Darstellung repräsentativer Beispiele für die Veränderung der Umwandlungs-Prozentsätze, die mit einem katalytischen Dreikomponenten-Konverter erreichbar sind und zwar bei Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffoxiden (NO ), wenn das Luft/Brennstoffverhältnis oder der "Luft-Beiwert" (wird weiter unten definiert) des in den Motorzylindern zu verbrennenden Gemischs in der Nähe des stöchiometrischen Verhältnisses verändert wird;

Fig. 3 die Schnittansicht eines Teils eines Vergasers, der als Gemischzufuhrsystem bei der in Fig. 1 gezeigten Maschine Verwendung finden kann und der mit einem Mischungsverhältnis-Steuer- und Überwachungssystem erfindungsgemäßer Bauart ausgerüstet ist;

Fig. 4 das Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für einen elektrischen Steuer- und überwachungs· kreis, der Teil des Mischungsverhältnis-Steuer- und

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Überwachungssystems mit erfindungsgemäßen Merkmalen ist;

Fig. 5 die graphische Darstellung zur Verdeutlichung eines Beispiels für die Veränderung des Luft/Brennstoffverhältnisses, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einreguliert wird und

Fig. 6 die graphische Darstellung der Wahrscheinlichkeitsverteilung des Luft/Brennstoffverhältnisses des brennbaren Gemische, das während aller Betriebsarten einer Brennkraftmaschine erzeugt werden kann, die mit der erfindungsgemäßen Verbesserung ausgerüstet ist im Vergleich zu einer Brennkraftmaschine, die ein herkömmliches Gemischzufuhrsystem aufweist.

Die Prinzipdarstellung nach Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10, die mit einem Gemischzufuhrsystem 12 versehen ist, das entweder ein Vergaser oder ein Brennstoff-Einspritzsystem sein kann. Das Gemischzufuhrsystem 12 ist über einen Ansaugkrümmer mit den einzelnen (nicht gezeigten) Motorzylindern verbunden und wird in üblicher Weise über ein Luftfilter 16 mit Frischluft versorgt. Die Maschine besitzt weiterhin ein Abgassystem, das einen von den Auslaßöffnungen der Motorzylinder wegführenden Auspuffkrümmer 18 umfaßt, der in ein Auspuffrohr 20 übergeht. Das Auspuffrohr 20 führt über einen Auspufftopf oder Auspufftöpfe zu einem Abgasrohr, das endseitig in der Außenluft mündet .

Das Abgassystem ist mit einem katalytischen Konverter ausgerüstet, der im Verlauf des Abgasrohrs 20 wie dargestellt angeordnet ist, jedoch auch im konvergierenden Rohrbereich des Auspuffkrümmers 18 vorgesehen werden kann, der an das Abgasrohr 20 anschließt. Dieser katalytische Konverter 22 entspricht dem zuvor beschriebenen dreifach wirkenden Typ; er ist in der Lage, drei unter-' schiedliche Arten von verschmutzenden Bestandteilen zu verar-

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beiten, nämlich Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide, die in den von den Motorzylindern abgegebenen Abgasen enthalten sind.

Die Fig. 2 verdeutlicht typische Beispiele der Veränderung
des Prozentsatzes der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen
(HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffoxiden (NO ), die mit einem derartigen katalytischen Dreikomponenten-Konverter erreicht werden können, wenn das Luft/Brennstoffverhältnxs und entsprechend der Luftbeiwert (die Luftzahl) des der Brennkraftmaschine zuzuführenden Luft/Brennstoffgemischs verändert werden. Der Umwandlungsanteil, auf den hier Bezug genommen
wird, entspricht dem Gewichtsprozentsatz an Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid oder Stickoxiden, die in harmlose Verbindungen (etwa Wasser und Kohlendioxid für Kohlenwasserstoffe
oder Kohlenmonoxid) durch den dreifach wirkenden katalytischen Konverter umgesetzt werden, aufgetragen über den Gewichtsanteil jeder dieser luftbelastenden Zusammensetzungen, die in
den durch den katalytischen Konverter strömenden Abgasen enthalten sind. Der Ausdruck "Luftbeiwert", der hier mit Lambda ( λ» ) bezeichnet ist, entspricht dem Wert des Luft/Brennstoffverhältnisses eines tatsächlich erzeugten Gemischs über dem Luft/Brennstoffverhältnis einer stöchiometrischen Mischung und ist proportional zur Masse bzw. dem Gewicht an Luft, die in dem tatsächlich erzeugten Luft/Brennstoffgemisch enthalten ist. Der Wert des Luftbeiwerts ist Eins, d.h. λ, =1,0, wenn die Mischung dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht.
Aus den dargestellten Kurven ist ersichtlich , daß der Umwandlungsprozentsatz für Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid ein Maximum erreicht, wenn das Luft/Brennstoffverhältnis der Mischung dem stöchiometrischen Wert von etwa 14,7:1 nahekommt, während ein scharfer Abfall zu beobachten ist, wenn das Luft/ Brennstoffverhältnis gegenüber diesem speziellen Wert verkleinert wird. Hinsichtlich der Stickoxide ist ersichtlich , daß der Umwandlungs-Wirkungsgrad ebenfalls ein Maximum zeigt, wenn

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das Luft/Brennstoffverhältnis des Gemischs in der Nähe des stöchioinetrisehen Werts liegt; es zeigt sich ein scharfer Abfall, wenn das Luft/Brennstoffverhältnis über den speziellen Wert hinaus ansteigt. Diese Tatsachen belegen augenscheinlich, daß das Luft/Brennstoffverhältnis des Gemischs in der Nähe des stöchioinetri sehen Verhältnisses von 14,7:1 einen optimalen Umwandlungsprozentsatz für alle drei Arten von Luftverschmutzungsanteilen ergibt.

Ein katalytischer Konverter weist also einen maximalen Umwandlungs-Wirkungsgrad gegen die erwähnten Luftverschmutzungsbestandteile dann auf, wenn das Luft/Brennstoffverhältnis des im Gemischzufuhrsystem einer Brennkraftmaschine erzeugten Gemischs nach dem stöchiometrisehen Verhältnis zusammengesetzt ist. Um dies zu erreichen, arbeitet das in Fig. 1 schematisch dargestellte Gemischzufuhrsystem hinsichtlich seiner Luft- und/ oder Brennstoffzufuhreinrichtung unter der Steuerung und Überwachung eines MischungsArerhältnis-Überwachungssystems, das dazu dient, das Luft/Brennstoffverhältnis des in dem Gemischzufuhrsystem erzeugten Gemischs in Richtung auf das stöchiometrische Verhältnis unter verschiedenen Betriebsbedingungen oder während bestimmter Betriebsarten der Maschine zu regulieren. Das Mischungsverhältnis-Überwachungssystem, im folgenden nur als überwachungssystem bezeichnet, umfaßt einen im Abgassystem angeordneten Überwachungssensor 24, der die Konzentration einer bestimmten chemischen Komponente in den von den Motorzylindern abgegebenen Abgasen erfaßt. Für die nachfolgende Beschreibung sei angenommen, daß der Abgassensor 24 auf in den durchströmenden Abgasen enthaltenen Sauerstoff anspreche. Falls gewünscht, kann der Abgassensor 24 auch durch einen anderen Typ ersetzt sein, der beispielsweise auf Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid oder Stickstoffoxide in den Abgasen anspricht. Der Abgassensor 24 kann wie dargestellt im Abgaskrümmer 18 angeordnet werden, wobei dann der katalytische Konverter 22 im Abgasrohr 20 liegt. Falls dies aus irgend-

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welchen Gründen zweckmäßiger ist, kann der Abgassensor 24 auch im Abgasrohr 20, jedoch vorzugsweise stromauf, also vor dem katalytischen Konverter 22, liegen. Wird der katalytische Konverter 22 im konvergierenden Abschnitt des Auspuffkrümmers 18 angeordnet, wie zuvor erwähnt, so sollte der Abgassensor 24 an einem speziellen Abschnitt des Auspuffkrümmers 18 stromauf des katalytischen Konverters 22 angeordnet werden.

Der Abgassensor 24 erzeugt ein analoges Ausgangssignal So, das direkt bezogen ist auf die ermittelte Sauerstoffkonzentration in den durchströmenden Abgasen; dieses Signal So gelangt auf eine elektrische Steuer- und überwachungsschaltung 26, die im folgenden als Überwachungsschaltung bezeichnet ist. Diese Schaltung 26 liefert ein Ausgangssignal Sc, das sich in Abhängigkeit von dem eingangsseitigen Signal So verändert. Das Ausgangs-signal Sc gelangt auf eine Magnetventileinheit 28, die der Luftspeiseeinrichtung und/oder der (nicht gezeigten) Brennstoffspeiseeinrichtung des Gemischzufuhrsystems 12 zugeordnet ist; sie bestimmt die Strömungsmenge an Luft oder Brennstoff oder die Strömungsanteile sowohl von Luft als von Brennstoff, die in das Gemischzufuhrsystem 12 gelangen und zwar in der Weise, daß das Luft/Brennstoffverhältnis des erzeugten Gemischs in Richtung auf einen stöchiometrisehen Wert einreguliert wird. Die Ventileinheit 28 kann zwei Stellungen, nämlich eine Offen- und eine Schließstellung festlegen oder auch dem Typ entsprechen, der kontinuierlich zwischen Offen- und Schließbedingung betätigbar ist. Entspricht die Ventileinheit 28 dem Typ mit zwei Endstellungen, so sollte die überwachungsschaltung 26 so ausgelegt sein, daß sie das erwähnte Ausgangssignal Sc als Impulsfolge mit einer in Abhängigkeit vom Eingangssignal So variablen Fre- quenzund Impulsbreite abgibt.

Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Gemischzufuhrsystem 12 ein Vergaser ist und die Ventileinheit 28 entspricht einem Ventil mit zwei Endstellungen, das den in den Brennstoff

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einzudrückenden Luftstrom im Brennstoff-Hauptspeisekreis des Vergasers bestimmt.

Der Vergaser umfaßt wie üblich ein Saugrohr 30 mit einem Venturirohr 32 und einer stromab vom Venturirohr 32 angeordneten Drosselklappe 34, die auf einer Achse 36 drehbar ist. Die Drosselkappenachse 36 ist mit dem Beschleunigungspedal des Fahrzeugs durch eine geeignete mechanische Verbindung verbunden, so daß die Drosselklappe 34 über die Achse 36 zwischen einer voll geöffneten und einer geschlossenen Stellung über Zwischenpositionen verdeht werden kann, wenn das Beschleunigungspedal in bekannter Weise eingedrückt oder freigegeben wird. Das Gemischzufuhrrohr 30 ist an einem Ende an einen (nicht gezeigten) Lufttrichter angeschlossen, der über das Luftfilter 16 (Fig. 1) gegen die Außenluft offen ist, während das andere Ende in bekannter Weise mit dem Einlaßkrümmer 14 verbunden ist. Das Gemischzufuhrrohr 30 weist eine Vergaser-Schwimmerkammer 38 mit einem darin angeordneten Schwimmer 40 auf. Die Schwimmerkammer 38 steht über eine nicht gezeigte Speisepumpe mit einem Brennstofftank in Verbindung; sie enthält konstant vom Brennstofftank eingepumpten flüssigen Brennstoff 42, Der oben erwähnte Brennstoff-Hauptspeisekreis beginnt mit der Schwimmerkammer 38 und umfaßt einen Brennstoffdurchlaß 44f der vom Grund der Schwimmerkammer 38 über eine Brennstoff-Hauptdüse 46 führt. Der Brennstoffdurchlaß 44 endet in einem Mischrohr 48, das ein perforiertes Zerstäuberrohr 50 enthält, das über eine Luftdüse 52 gegen die Außenluft belüftet und auf der Oberseite des Mischrohrs 48 angeordnet ist und in das Gemischzufuhrrohr 30 stromauf des Venturirohrs 32 mündet. Eine Brennstoff-Auslaßdüse 54 erstreckt sich vom Mischrohr 48 und mündet in das Venturirohr 32, Ist die Maschine in Betrieb und steht die Vergaserdrosselklappe in ihrer voll oder teilweise geöffneten Stellung, so entsteht im Venturirohr 32 ein Unterdruck, durch den flüssiger Treibstoff von der Schwimmerkammer 38 über die Brennstoff-Hauptdüse

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46 und den Brennstoffdurchlaß 44 in das Mischrohr 48 eingesaugt wird. Der in das Mischrohr 48 gelangende Brennstoff wird mit Luft gemischt, die über die Luftdüse 52 in das Mischrohr 48 eingesaugt wird und es entsteht eine emulsionsartige zerstäubte Mischung. Die im Mischrohr 48 erzeugte Brennstoffemulsion wird über die Brennstoff-Auslaßdüse 54 in den durch das Venturirohr 32 strömenden Luftstrom eingespritzt und bildet ein Luft/Brennstoffgemisch, das über die Drosselklappe 34 und durch den Einlaßkrümmer 14 (Fig. 1) in die einzelnen (nicht gezeigten) Motorzylinder gelangt. Bei einem gewöhnlichen Vergaser ohne Oberwachungssystem der beschriebenen Art ist das Luft/Brennstoffverhältnis des in der Gemisch-Speiseleitung 30 erzeugten Gemische bestimmt durch die Luftmenge, die durch das Venturirohr 32 und die Luftdüse 52 strömt, so wie durch die die Brennstoff-Hauptdüse 4 6 durchströmende Brennstoffmenge. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung, bei der das Gemischzufuhrsystern mit einem das Mischungsverhältnis bestimmenden Überwachungssystem verbunden ist, weist der Brennstoff-Hauptspeisekreis einen Luftdurchlaß 56 auf, der an einem Ende in das Mischrohr 48 mündet und am anderen Ende über eine zusätzliche Luftdüse 58 belüftbar ist, die gegen die Gemischzufuhrleitung 30 stromauf des Venturirohrs 32 offen ist.

Die zwei Endstellungen besitzende Magnetventileinheit 28 bestimmt den durch den Luftdurchlaß 56 gelangenden Luftstrom; sie umfaßt eine elektrisch mit der Ausgangsklemme der zuvor beschriebenen Überwachungsschaltung 26 verbundene Magnetwicklung 60 mit einem ferromagnetischen Kern 62, der zum Teil durch die Wicklung 60 umschlossen und axial zwischen einer Schließ- und Offenstellung des Luftdurchlasses 56 verschieblich ist, wenn die Wicklung 60 entregt bzw, erregt wird. Aus Gründen der einfacheren Darstellung wird hier angenommen, daß der Magnetkern 62 durch eine vorgespannte Feder 64 in die Schließstellung für den Durchlaß 56 gedrückt wird und aus dieser

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Stellung herausgezogen wird, wenn die Wicklung 60 unter Strom gesetzt wird. In anderen Worten: Bei nicht erregter Wicklung 60 wird der Kern 62 unter Wirkung der Feder 64 in die Schließstellung für den Luftdurchlaß 56 gedrückt, so daß die Verbindung zwischem dem Mischrohr 48 und der Außenluft über den Luftdurchlaß 56 gesperrt ist mit der Folge, daß der in das Mischrohr 48 eintretende Brennstoff nur mit der Luft gemischt wird, die ausschließlich über die Hauptluftdüse 52 in das Mischrohr gelangt. Wird die Wicklung 60 dagegen erregt, so verschiebt sich der Kern 62 aus der den Luftdurchlaß 56 verschließenden Stellung entgegen der Kraft der Feder 64, so daß Umgebungsluft über den Luftdurchlaß 56 in das Mischrohr 48 eintreten kann. Bei erregter Wicklung 60 wird also ein magereres Luft/ Brennstoffgemisch in dem Gemischzufuhrrohr 30 erzeugt, als dann, wenn die Wicklung 60 nicht unter Strom steht. Die Magnetwicklung 60 wird durch die Impulse erregt, die das von der überwachungsschaltung 26 gelieferte Ausgangssignal Sc bilden; das Luft/Brennstoffverhältnis der in dem Gemischzufuhrrohr 30 erzeugten Mischung läßt sich also durch Verändern der Frequenz variieren, mit der die Ventileinheit 28 zwischen ihren beiden Stellungen hin- und herbewegt wird, wobei bei einer Stellung der Luftdurchlaß 56 offen ist und für eine bestimmte Dauer offen gehalten wird. Ist die Überwachungsschaltung 26 richtig ausgelegt, so wird das Luft/Brennstoffverhältnis des im Gemischzufuhrrohr 30 erzeugten Gemischs in Richtung auf den stöchiometrisehen Wert hin einreguliert und zwar mittels der durch die Überwachungsschaltung 26 gelieferten Impulse Sc. Eine Überwachungsschaltung 26, die diese gewünschte Funktion leistet, läßt sich durch den Fachmann leicht verwirklichen; ein Beispiel für den Schaltungsaufbau zeigt die Fig. 4; Gemäß Fig. 4 umfaßt die Überwachungsschaltung 26 einen Komparator 66, die Kombination eines Proportionalverstärkers und Integrators 68, einen Sägezahn- oder Dreiecksimpulsgenerator 70, sowie einen Impulsbreiten—Modulator 72, Der Komparator 66 weist eine erste mit dem Ausgang des erwähnten Abgassensors 24 verbundene Ein-

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gangsklemme sowie eine zweite Eingangsklemme auf, die konstant mit einem Bezugssignal Sr beaufschlagt ist. Dieses Bezugssignal Sr entspricht der Sauerstoffkonzentration in den Abgasen, die sich bei einem stöchiometrisehen Luft/Brennstoffgemisch ergeben.

Der Komparator 66 vergleicht das Ausgangssignal So gegen das Bezugssignal Sr und liefert ein binäres Ausgangssignal S1, das einem logischen Wert "0" entspricht, wenn die Spannung des Signals So hinsichtlich ihrer Amplitude größer ist als das Bezugssignal Sr, d,h, wenn das den Motorzylindern zugeführte Luft/Brennstoffgemisch fetter ist als es einem stöchiometrisehen Gemisch entspricht. Der Komparator 66 liefert einen logischen Wert "1", wenn die Signalspannung So kleiner ist als die Spannung des Bezugssignals Sr, d,h, wenn das den Zylindern zugeführte Gemisch magerer ist als eine stöchiometrische Mischung. Das durch den Komparator 66 erzeugte Binärsignal S1 gelangt auf die Kombinationsschaltung aus Proportionalverstärker und Integrator 68, die ein linear ansteigendes Signal S2 abgibt, das in Abhängigkeit vom Eingangssignal S1, d.h. vom logischen Wert "0" oder "1" ansteigt oder abfällt. Andererseits liefert der Sägezahn-oder Dreiecksimpulsgenerator 70 eine Folge von Sägezahn- oder Dreiecksimpulsen S3 mit gleicher Impulsbreite und einer bestimmten konstanten Frequenz. Das linear ansteigende Signal S2 vom Proportionalverstärker/Integrator 68 und die Folge von Sägezahn- oder Dreiecksimpulsen S3 vom Impulsgenerator 70 gelangen auf den Impulsbreiten-Modulator 72, der hinsichtlich seiner Funktion als Komparator arbeitet und das linear ansteigende Signal S2 gegen die Sägezahn- oder Dreiecksimpulse S3 vergleicht und eine Folge von Rechteckimpulsen abgibt, die für eine bestimmte Dauer positiv sind, wenn das Signal S2 größer ist als es der Amplitude der Sägezahn- oder Dreiecksinipulse S3 entspricht. Die auf diese Weise durch den Impulsbreiten—Modulator 72 erzeugte Folge von Rechteckimpulsen stellt das zuvor erwähnte Steuersignal Sc dar, das von der

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überwachungsschaltung 26 an die Magnetventileinheit 28 abgegeben wird. Diese Ventileinheit 28 wird damit so gesteuert, daß sie-bestimmt durch die Impulse Sc-öffnet oder schließt.

Wird in diesem Fall der Luftstrom durch den Luftdurchlaß 56 genau durch die die Ventileinheit 28 beaufschlagenden Impulse Sc gesteuert, so muß auch das Luft/Brennstoffverhältnis des im Gemischzufuhrrohr 30 erzeugten Gemischs genau auf dem Wert des stöchiometrisehen Verhältnisses von etwa 14_f7:1 gehalten werden, mindestens theoretisch. Wie oben bereits erwähnt jedoch, läßt sich das Luft/Brennstoffverhältnis nicht auf einen vorgegebenen genauen Wert hin einregulieren wegen der erwähnten Schwankungen der Umgebungsbedingungen und den unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Motors. Versuche haben jedoch gezeigt, daß die Abgasreinigungswirkung eines katalytischen Dreikomponenten-Konverters nicht wesentlich beeinflußt wird, wenn für das Luft/Brennstoffverhältnis des den Motorzylindern zugeführten Gemischs ein bestimmter Abweichungsbereich gegenüber dem stöchiometrisehen Wert zugelassen wird, vorausgesetzt, daß das Luft/Brennstoffverhältnis so reguliert wird, daß es annäherungsweise stets auf den speziellen Wert hin korrigiert wird.

Dementsprechend besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, das Luft/Brennstoffverhältnis des im Gemischzufuhrsystem einer Brennkraftmaschine erzeugten Gemischs so zu überwachen, daß dieses Verhältnis konstant auf den stöchiometrisehen Wert hin reguliert wird, jedoch von diesem Wert innerhalb eines bestimmten Bereichs von etwa 10:.1 bis etwa 20:1 abweichen kann, wenn das Abgassystem der Maschine mit einem der erwähnten dreifach wirkenden katalytischen Konverter ausgerüstet ist. Wird das Luft/Brennstoffverhältnis über die erwähnte Obergrenze von 20:1 erhöht, so wird da.s den Motor zylindern zugeführte Gemisch zu mager und läßt sich nicht unter stabilen Betriebsbedingungen

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verbrennen_f obgleich das Gemisch durch Zündkerzen gezündet werden kann. Ist das Luft/Brennstoffverhältnis des den Motorzylindern zugeführten Gemischs dagegen kleiner als die Untergrenze von 10:1, so wird das Gemisch so fett, daß Fehlzündungen in den Motorzylindern auftreten können. In jedem Fall würde die Maschine nicht mehr einwandfrei arbeiten, wenn das Luft/Brennstoffverhältnis des zugeführten Gemischs diese 6renze des erwähnten Bereichs unterschreitet. Die Fig. 5 gibt in graphischer Darstellung den speziellen Bereich für das Luft/Brennstoffverhältnis an.

Ist das Gemischzufuhrsystem wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ein Vergaser, so kann der zulässige Variationsbereich für das Luft/Brennstoffverhältnis schmäler sein und beispielsweise zwischen 11:1 bis etwa 18:1 liegen, jedenfalls ergeben sich bei Einhaltung dieses Bereichs stabilere Verhältnisse, Die angegebene Einschränkung des Verhältnisbereichs ist insbesondere dann geboten, wenn die Ventileinheit dem erwähnten Typ mit zwei Endstellungen entspricht. In diesem Fall sollte die Ventileinheit so ausgelegt werden, daß das Luft/Brennstoffverhältnis des Gemischs in dem Bereich zwischen etwa 14,7:1 und etwa 18:1 gehalten wird, wenn das Ventil offen ist und im Bereich zwischen etwa 11:1 und etwa 14,7:1 bei geschlossenem Ventil.

Ist es erwünscht, das Luft/Brennstoffverhältnis genauer zu überwachen, so kann der zulässige Variationsbereich für das Luft/ Brennstoffverhältnis weiter auf einen Bereich zwischen einer Ober- und einer üntergrenze eingeschränkt werden, die beispielsweise etwa 5% ober- bzw,unterhalb des stöchiometrisehen Verhältnisses liegt. Die Fig, 6 verdeutlicht die statistische Wahrscheinlichtkeitsverteilung des Luft/Brennstoffverhältnisses über den gesammten Betriebsbereich eines Brennkraftmaschine, die in einem Fall mit einem Mischungsverhältnis^Überwachungssystem der oben beschriebenen Art (Kurve a) und im anderen Fall

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mit einem herkömmlichen Gemischzufuhrsystem (Kurve b) ausgerüstet ist. Ein Vergleich der Kurven a und b zeigt, daß das unter Einhaltung der oben beschriebenen Grundsätze überwachte Luft/Brennstoffverhältnis mit ausreichend hoher Wahrscheinlichkeit in einem sehr schmalen Bereich von etwa 14:1 und etwa 15,5:1 gehalten wird; dieses Verhältnis zeigt im wesentlichen eine Normalverteilung mit einem ausgeprägten Maximum im Bereich des stöchiometrischen Verhältnisses von etwa 14,7:1, während das mittels des herkömmlichen Gemischzufuhrsystem erhaltene Luft/Brennstoffverhältnis in einem breiten Bereich schwankt und keine Normalverteilung, vielmehr zwei Maxima zu beiden Seiten des stöchiometrischen Verhältnisses aufweist. Dies bedeutet, daß das gemäß der Erfindung überwachte Luft/Brennstoffverhältnis in einem sehr schmalen Bereich gehalten wird im Vergleich zu einer Brennkraftmaschine mit herkömmlichem Gemischzufuhrsystem.

Obgleich das Mischungsverhältnis-Überwachungssystem gemäß der Erfindung in Anwendung auf eine mit einem katalytischen Dreikomponenten-Konverter ausgerüstete Brennkraftmaschine beschrieben wurde, läßt sich die Erfindung auch auf andere Arten von katalytischen Konvertern anwenden, vorausgesetzt, daß das Überwachungssystem so ausgelegt wird, daß das Luft/Brennstoffverhältnis in Richtung auf einen bestimmten Wert hin reguliert wird, so daß der Konverter in der Lage ist, auf maximalem Umwandlung s-Wirkungsgrad zu arbeiten, wobei Abweichungen des Luft/BrennstoffVerhältnisses in einem vorgeschriebenen Bereich, der den optimalen Wert einschließt, zulässig sind.

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Claims (16)

1. NISSAN MOTOR COMPANY, LTD,
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   Patentansprüche

   t\,J Verfahren zur Steuerung und Überwachung des Luft/Brennstoff- ^-^^ Verhältnisses in einem die Motorzylinder einer Brennkraftmaschine mit einem Luft/Brennstoffgemisch versorgenden Gemischzufuhrsystem, dem im Anschluß an die Motorzylinder ein Abgassystem nachgeschaltet ist, das einen katalytischem gegenüber wenigstens einer in den durchströmenden Abgasen enthaltenen, die Atmosphäre verschmutzenden Zusammensetzung reaktiven Konverter aufweist, der seinen optimalen Umwandlungs-Wirkungsgrad bei solchen Abgasen hat, die sich aus einem Luft/Brennstoffgemisch mit bestimmtem Luft/Brennstoffverhältnis ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß eine bestimmte chemische Komponente in den das Abgassystem durchströmenden Abgasen erfaßt und ein der festgestellten Konzentration dieser Komponente entsprechendes Signal erzeugt wird, und daß das Luft/Brennstoffverhältnis des im Gemisch-Zufuhrsystem erzeugten Gemische innerhalb einer bestimmten das bestimmte (optimale) Luft/Brennstoffverhältnis einschließenden Bereichs gehalten und unter Berücksichtigung des erzeugten Signalwerts auf das bestimmte Luft/Brennstoff-Verhältnis hin einreguliert wird,
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1_f dadurch gekennzeichnet f daß der Bereich des Luft/Brennstoffverhältnisses zwischen etwa 10:1 und etwa 20;1 gewählt wird, wenn als katalytischer Konverter ein Dreikomponenten-Konverter eingesetzt wird.

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3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der bestimmte Bereich des Luft/ Brennstoffgemischs zwischen etwa 11:1 und etwa 18:1 gewählt wird, wenn das Gemischzufuhrsystem ein Vergaser ist,
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1_fdadurch gekennzeichnet , daß der bestimmte Bereich des Luft/ Brenn sto ff gemischs zwischen einer Ober-' und einer Untergrenze gewählt wird, die annähernd 5% ober-' bzw. unterhalb des bestimmten (optimalen) Luft/Brennstoffverhältnisses liegt,
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn" zeichnet , daß das bestimmte Luft/Brennstoffverhältnis ein stöchiometrisches Verhältnis ist, wenn als Konverter ein Dreikomponenten-Konverter eingesetzt wird,
6. 6. Verfahren zur Steuerung und überwachung des im Vergaser einer Benzin-Brennkraftmaschine erzeugten und den Zylindern zuzuführenden Luft/Brennstoffgemischs, bei der ein Abgassystem mit eingebautem katalytischem Dreikomponenten-Konverter vorhanden ist_f der einen maximalen Umwandlungs-Wirkungsgrad hinsichtlich solcher Abgase erwarten läßt, die sich aus einem Gemisch ergeben, das auf ein stöchiometrisches Luft/Brennstoff verhältnis von annähernd 14,7:1 eingestellt ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

   a) überwachen des im Vergaser erzeugten Luft/Brennstoffverhältnisses durch Erfassen der Konzentration einer bestimmten chemischen Komponente im Abgasstrom des Abgassystems;

   b) Erzeugen eines dem festgestellten Luft/Brennstoffverhältnis entsprechenden Grundsignals;

   c) Vergleichen des Grundsignals gegen ein vorgebbares, dem erwähnten stöchiometrisehen Luft/Brennstoffverhältnis

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   entsprechendes Bezugssignal zur Erzeugung eines Regelsignals, das auf eine Verminderung einer eventuell festgestellten Abweichung zwischen Grund- und Bezugssignal gerichtet ist und

   d) Einspeisen von Umgebungsluft in den Brennstoff-Speisekreis in Abhängigkeit vom Regelsignal in einer Menge, die zwischen einem bestimmten Mindestwert und einem Höchstwert liegt, wobei der Mindestwert bzw. Höchstwert im Vergaser zur Erzeugung eines Gemischs führt, das einer bestimmten ersten unter dem erwähnten stöchiometrischen Verhältnis bzw. einem zweiten über dem erwähnten stöchiometrischen Verhältnis liegenden Luft/Brennstoffverhältnis des Gemischs innerhalb der genannten Verhältnis-Grenzwerte liegt und auf das stöchiometrische Verhältnis hin reguliert wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet , daß der erste untere Verhältniswert des Luft/Brennstoffgemischs bei etwa 11:1 und der zweite obere Verhältniswert bei etwa 18:1 liegt.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet f daß der erste (untere) bzw. der zweite (obere) Verhältniswert des Luft/Brennstoffgemischs um etwa 5% kleiner bzw. größer als das erwähnte stöchiometrische Luft/Brennstoffverhältnxs ist,
9. 9. Einrichung zur Steuerung und Überwachung des Luft/Brennstof fverhältnisses in einem die Motorzylinder einer Brennkraftmaschine mit einem Luft/Brennstoffgemisch versorgenden Gemischzufuhrsystem, dem im Anschluß an die Motorzylinder ein Abgassystem nachgeschaltet ist, das einen katalytischen Konverter aufweist, der gegenüber wenigstens einer in den durchströmenden Abgasen enthaltenen, die Atmosphäre verschmutzenden Zusammensetzung reaktiv ist und seinen optimalen

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   Umwandlungs-Wirkungsgrad bei solchen Abgasen hat, die sich aus einem Luft/Brennstoffgemisch mit bestimmtem Luft/Brennstoff verhältnis ergeben, gekennzeichnet durch einen Abgassensor (24), der die Konzentration einer bestimmten chemischen Komponente in den das Abgassystem durchströmenden Abgasen erfaßt und ein dieser Konzentration entsprechendes Signal (So) erzeugt und durch eine Steuer- und Überwachungseinrichtung (26), die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal· des Abgassensors das Luft/Brennstoffverhältnis des im Gemischzufuhrsystem (12) erzeugten Gemischs innerhalb eines Bereichs hält, der das optimale Verhältnis einschließt und aufgrund des Signals das Luft/Brennstoffverhältnis des im Gemischzufuhrsystem erzeugten Gemischs in Richtung auf das optimale Luft/Brennstoffverhältnis hin reguliert,
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9,dadurch gekenn-

    z e ic h η e t, daß der Bereich des Luft/BrennstoffVerhältnisses zwischen etwa 10:1 und etwa 20:1 liegt, wenn die Maschine ein Bezinmotor und der katalytische Konverter ein Dreikomponenten-Konverter ist.
11. 11, Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, da,ß der Bereich des Luft/Brennstoff Verhältnisses zwischen etwa 11:1 und etwa 18;1 liegt, wenn die Maschine ein Benzinmotor und das Gemischzufuhrsystem ein Vergaser ist,
12. 12, Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Bereich des Luft/ BrennstoffVerhältnisses zwischen einer Ober- und einer Untergrenze liegt, die um etwa 5% größer bzw. kleiner ist als das optimale Luft/Brennstoffverhältnis«
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 12,dadurch gekenn-

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    zeichnet, daß das Luft/Brennstoffverhältnis ein stöchiometrisches Verhältnis ist, wenn als Konverter ein Dreikomponenten-Konverter eingesetzt ist.
14. 14, Einrichtung zur Steuerung und Überwachung des im Vergaser einer Benzin-Brennkraftmaschine erzeugten und den Zylindern zuzuführenden Luft/Brennstoffgemischs, bei der ein Abgassystem mit eingebautem katalytischem Dreikomponenten-Konverter vorhanden ist_r der einen maximalen Umwandlungs-Wirkungsgrad hinsichtlich solcher Abgase erwarten läßt, die sich aus einem Gemisch ergeben, das auf ein stöchiometrisches Luft/Brennstoffverhältnis von annähernd 14,7:1 eingestellt ist, gekennzeichnet durch einen im Abgassystem (18 bis 22) angeordneten Abgassensor (24), der die Konzentration einer bestimmten Abgaskomponente erfaßt und ein dem Luft/Brennstoffverhältnis des im Vergaser erzeugten Gemischs entsprechendes Grundsignal (So) erzeugt, eine Steuer- und überwachungsschaltung (26), die das Grundsignal gegen ein fest einstellbares Bezugssignal (Sr) vergleicht, das dem stöchiometrisehen Luft/Brennstoff verhältnis entspricht und ein auf eine Verminderung des Abstands zwischen dem Grund- und dem Bezugssignal gerichtetes Regelsignal (Sc) erzeugt, einen als Verbindung zwischen dem Brennstoffzufuhrkreis und der Atmosphäre dienenden Durchlaß (56), der hinsichtlich des Brennstoffzufuhrkreises so bemessen ist_f daß zur Erzeugung eines Gemischs in dem Vergaser mit einem ersten kleineren als dem stöchiometrischen Luft/Brennstoffverhältnis ein minimaler Luftstrom und zur Erzeugung eines zweiten über dem stöchiometrischen liegenden Luft/Brennstoffverhältnis ein maximaler» Luftstrom gewährleistbar ist und durch eine durch das Regelsignal (Sc) betätigbare Ventileinrichtung (28) zur Einstellung des Luftstroms im Durchlaß (56) im Beriech zwischen dem minimalen und dem maximalen Wert derart, daß das im Vergaser (12) erzeugte Luft/Brennstoffverhältnis des Gemischs

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    innerhalb der genannten Verhältnisgrenzwerte liegt und auf das stöchiometrische Verhältnis hin reguliert wird.
15. 15. Einrichtung nach Anspruch 14,dadurch gekennzeichnet , daß das erste bzw, zweite LuftZBrennstoffverhältnis bei etwa 11;1 bzw. etwa 18:1 liegt,
16. 16. Einrichtung nach Anspruch 14,dadurch gekenn» ζ e ichnet , daß der erste (untere) bzw. der zweite
    (obere) Verhältniswert des LuftZBrennstoffVerhältnisses

    um etwa 5% kleiner bzw. größer als das erwähnte stöchiome-' trisehe LuftZBrennstoffverhältnis ist.

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