DE2617527A1

DE2617527A1 - Regelsystem fuer das luft-brennstoff-gemisch eines inneren verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE2617527A1
Application number: DE19762617527
Authority: DE
Inventors: Masaharu Asano
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-04-24
Filing date: 1976-04-22
Publication date: 1976-11-04
Also published as: GB1518428A; CA1096469A; JPS51124739A

Description

PATENTANWALT■£ A. GRÜNECKER

D(PU-INQ

H. KlNKELQEY

W. STOGKMAIR Z 0 I / V ^ / K. SCHUMANN

DR RER NAT-DlPU-PHVS

P. H. JAKOB

DlPU-ING

G. BEZOLD

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MÜNCHEN

E. K. WEIL

DR BER OEC IMi

8 MÜNCHEN 22

MAXIMIUAN5TRA5SE 43

P 10 349

22. April 1976

LINDAU

Nissan Motor Company, Limited

No. 2, Takara-machi, Kanagawa-ku, Yokohama City, Japan

Regelsystem für das Luft-Brennstoff-Gemisch eines inneren Verbrennungsmotors

Die Erfindung betrifft ein Regelsystem für das Luft-Brennstoff -Gemisch eines inneren Verbrennungsmotors, in welchem die Abgaszusammensetzung des Motors erfaßt wird, um das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches mittels eines Regelkreises auf einen vorbestimmten Wert zu regeln. Die Erfindung betrifft insbesondere ein rückgekoppeltes Gemischregelsystem, in welchem die den Leerlaufzustand anzeigenden Betriebsparameter des Motors erfaßt werden, um die Größe des Regelsignales, das von einem Meßfühler der Abgaszusammensetzung abgeleitet wird, zu verändern, so daß das Luft-Brennstoff-

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ORIGINAL,. INSPECTED

Verhältnis innerhalb eines engen Bereiches optimaler Werte gehalten wird.

Bei bekannten rückgekoppelten Gemischregelsystemen erzeugt die Zeitverzögerung, die primär auf der Transportzeit des Luft-Brennstoff-Gemisches von den Einspritzern zu dem Meßfühler der Abgaszusammensetzung beruht, ein Regefeignal, das sich in seiner Amplitude stark verändert, insbesondere, wenn der Motor im Leerlauf ist. Daher neigt das System dazu, um einen vorbestimmten Wert des Luft-Brennstoff-Verhältnisses zu oszillieren.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, ein verbessertes Gemischregelsystem zu schaffen, das frei von großen Amplitudenoszillationen (Regelschwankungen) ist, wenn der Motor sich im Leerlauf befindet.

Ein Regelsystem für das Luft-Brennstoff-Gemisch eines inneren Verbrennungsmotors, in welchem die Abgaszusammensetzung des Motors erfaßt wird, um das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches mittels eines Regelkreises auf einen vorbestimmten Wert zu regeln, ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erfassung der den Leerlaufzustand anzeigenden Betriebsparameter des Motors und eine auf die erfaßten Motorbetriebsparameter ansprechende Einrichtung zur Verkürzung der für die Erreichung des vorbestimmten Wertes des Luft-Brennstoff-Gemisches erforderlichen Zeit.

Der Leerlaufzustand wird durch einen Drosselschalter und einen Motordrehzahlmeßfühler erfaßt, wenn sich die Drossel im wesentlichen in der geschlossenen Position befindet und die Motordrehzahl unterhalb einer vorbestimmten niedrigen Drehzahl liegt. Es ist ein Meßfühler der Abgaszusammensetzung vorgesehen, um ein Signal zu erzeugen, das eine charakteristische Veränderung seiner Amplitude

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aufweist bei einem vorbestimmten Luft-Brennstoff-Verhältnis oder Stöchiometrie, das für einen katalytischen Konverter einen maximalen Wirkungsgrad gibt. Eine Regelschaltung modifiziert das gemessene Signal der Abgaszusammensetzung, um ein Regelsignal zu bilden, welches das Gemisch im vorbestimmten Verhältnis hält. Im Leerlauf wird das Signal vom Leerlauf detektor benutzt, um die Zeit zu verkleinern, die erforderlich ist, um zu dem voreingestellten Luft-Brennstoff-Verhältnis zurückzukehren.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Figur 1 einen Blockschaltungsplan einer Ausführungsform der Erfindung, und

Figur 2 eine Schaltung eines in der Schaltung der Figur 1 verwendeten Drosselschalters.

In Figur 1 ist ein rückgekoppeltes Gemischregelsystem dargestellt. Ein Brennstoffzumeßsystem 10, wie z.B. ein impulsbetätigter Vergaser oder ein elektronischer Brennstoff einspritzer , liefert Luft-Brennstcff-Gemische zu den Zylindern eines inneren Verbrennungsmotors 11 über ein Einlaßrohr 12, in welchem eine Drosselklappe 13 in herkömmlicher Art und Weise angeordnet ist. Ein katalytischer Konverter Ik₁ z.B. in Form eines Dreiwege-Katalysators, ist an der Abgasseite des Motors vorgesehen, um die Abgasemissionen in harmlosen Wasserdampf und Kohlenstoffdioxyd umzuwandeln. Der katalytische Konverter der Dreiwege-Bauart arbeitet mit einem maximalen Wirkungsgrad innerhalb eines kleinen Bereiches von Luft-Brennstoff-Verhältnissen, der gewöhnlich "stöchiometrisches Luft-Brennstoff-Verhältnis" genannt wird. Um das Gemisch innerhalb des stöchiometrischen Bereiches zu halten, ist ein Meßfühler 15 der

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Abgaszüsammensetzung im Auspuffrohr stromaufwärts vom katalytischen Konverter Ik vorgesehen. Dieser Meßfühler kann ein in bekannter Weise verfügbarer Zirkoniumdioxyd-Sauerstoff -Meßfühler sein, der sich in den Kanal dear Abgase erstreckt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Amplitude sich als Funktion des Luft-Brennstoff-Verhältnisses und mit einem steilen Übergang von ungefähr 500 mV beim stöchiometrischen Punkt ändert. Das Signal des Sauerstoffmeßfühlers 15 wird zu einem Vergleicher oder Differenzverstärker l6 einer Regeleinheit 17 geleitet, um mit einer vorbestimmten Gleichspannung einer Spannungsteilerschaltung R , R₂ verglichen zu werden. Der Vergleicher l6 erzeugt ein geformtes Ausgangssignal entgegengesetzter Polaritäten in Abhängigkeit davon, ob das Eingangssignal oberhalb oder unterhalb des Bezugspunktes liegt, d.h. positiv, wenn das Gemisch reicher als das stöchiometrische Verhältnis ist, und negativ, wenn das Gemisch magerer als das stöchioraetrische Verhältnis ist. Die Regeleinheit 17 hat ein proportionales und ein integrales Ansprechverhalten. Diese Ansprechcharakteristiken werden durch einen Proportionalregler l8 und einen Integralregler 19 erzielt.

Das Ausgangssignal des Vergleichers l6 wird zum Proportionalregler l8 und auch zum Integralregler 19 jeweils über geschaltete Widerstandsnetzwerke 20 und 22 geleitet. Das Netzwerk 20 besteht aus einem Widerstand R„, der zwischen den Ausgang des Vergleichers l6 und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers l8 geschaltet ist, einem Widerstand R. und einem Übertragungsglied G. oder einer torgesteuerten, zweiseitig gerichteten Leitungseinrichtung, dessen Übertragungsweg in Reihe mit dem Widerstand R· geschaltet ist und dessen

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Steuertor mit dem Ausgang eines NAND-Gliedes 21 verbunden ist. Der Ausgang des NAND-Gliedes 21 ist normalerweise hoch, um das Glied G. einzuschalten, um den Widerstand R, in Parallelschaltung mit dem Widerstand R«, zur Erzeugung eines Weges niedrigen Widerstandes zu dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers l8 zu bringen. Das geschaltete bzw. schaltbare Widerstandsnetzwerk 22 ist ähnlich wie das Netzwerk 20 ausgebildet, um einen Weg niedrigen Widerstands zu dem invertierenden Eingang des Integralreglers 19 zu erzeugen.

Der Proportionalregler l8 erzeugt ein Ausgangssignal, das die Brennstoffmenge proportional entgegengesetzt zum Vorzeichen des Ausgangssignals des Vergleichers l6 verändert. Auf der anderen Seite erzeugt der Integralregler 19 ein Ausgangssignal, welches die Brennstoffmenge linear entgegengesetzt zum Vorzeichen des Vergleichersignals ändert.

Die Ausgangssignale sowohl des"Proportional- als auch des Integralreglers werden zu einem Summierkreis geleitet, der von einem Operationsverstärker 23 gebildet wird, der seinerseits sein Ausgangssignal zu einem Vergleicher 24 leitet. Wenn das Eingangssignal unter die Spannung am invertierenden Eingang fällt, wird der Vergleicher 24 in den Zustand mit hohem Ausgang geschaltet. Das Signal am invertierenden Eingang des Vergleichers ist eine Dreieckwelle oder ein Zittersignal, das von einem Dreieckwellenerzeuger 25 geliefert wird. Das Ausgangssignal des Vergleichers 24 erniedrigt sich, wenn die Droieckwellenspannung unter die Spannung am nicht-invertierenden Eingang fällt. Daher ist die Dauer des Zustande mit hohem Ausgang eine Funktion des Signals vom Operationsverstärker 23· Die hohe Ausgangsspannung wird über eine Leitung 26 zu dem Zumeßsystem 10 zurückgeleitet, um Brennstoff in die Zylinder des Motors 11 einzuspritzen.

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Das Luft-Brennstoff-Verhältnis ist daher durch Rückkoppelung im stöchiometrischen Bereich unter gleichbleibenden Reisebedingungen geregelt.

Aufgrund der Verzögerungszeit in dem System, die von der Transportzeit des Luft-Brennstoff-Gemisches von den Einspritzern zu dem Sauerstoff-Meßfühler gebildet wird, beeinflußt die Regeleinheit 17 die Brennstoffmenge in der gleichen Richtung, obwohl der Bezugspunkt überschritten worden ist. Es bestehen daher selbst unter gleichbleibenden Zustandsbedingungen der Schleife Regeloszillationen. Die Oszillationsfrequenz ist in erster Linie abhängig von der Transportverzögerungszeit des Motors. Diese Transportverzögerung ihrerseits hängt von der Motordrehzahl und der Menge an Ansaugluft derart ab, daß die Verzögerung erhöht wird, wenn diese Motorparameter kleinere Werte, insbesondere im Leerlauf, annehmen.

Im Leerlauf oszilliert das Regelsystem mit einer kleineren Frequenz mit einer Regelspannung hoher Amplitude, was Regelschwankungen des Regelkreises verursachen könnte.

Es ist ein Leerlaufmeßfühler vorgesehen zur Erfassung des Auftretens des Leerlaufzustandes, um die Schwankung innerhalb eines engen Amplitudenbereiches zur Verhinderung von Regelschwankungen des Systems zu halten. Dieser Leerlaufmeßfühler enthält einen Drosselschalter 2? und einen Motordrehzahlmeßfühler 28. Der Drosselschalter kann, wie in Figur 2 gezeigt ist, einen veränderlichen Widerstand R aufweisen, dessen Steuerachse mit der Drosselklappe 13 für eine gemeinsame Drehung verbunden ist, um die an diesem Widerstand anliegende Spannung in Übereinstimmung mit der Drosselstellung zu verändern. Das die Drosselstellung darstellende Signal wird an die Basis- und Emitterelektrode eines Transistors T gelegt, der in

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den Zustand mit niedrigem Ausgang geschaltet wird, wenn die Spannung an der Basis oberhalb einer vorbestimmten Einstellung ist. Das Ausgangssignal erhöht sich, wenn die Basisspannung unter die Einstellung fällt, wenn die Drossel sich der vollständig geschlossenen Position nähert. Der Motordrehzahlmeßfühler 28 erzeugt ein Ausgangssignal, wenn die Motordrehzahl unter einen vorbestimmten Wert fällt. Die Ausgänge dieser Meßfühler sind mit dem Eingang des NAND-Gliedes 21 verbunden. Das Aus gangs signal des NAND-Gliedes ist niedrig, wenn es logische 1 an seinen Eingängen empfängt. Der niedrige Ausgang des NAND-Gliedes entfernt die Regelsignale sowohl von dem Übertragungsglied G als auch von dem Übertragungsglied G und trennt jeweils die Widerstände R. und Rg von den Widerständen R~ und R_. Daher sind die Eingangs impedanzwerte der Regler l8 und 19 erhöht zur Verkleinerung der Amplitude der Regelspannung, um hierdurch die für die Rückkehr zum Bezugspunkt erforderliche Zeit zu reduzieren.

Es wird angemerkt, daß die Amplitudenregelung ebenfalls dadurch bewirkt werden könnte, daß ein geschaltetes Widerstandsnetzwerk ähnlich den Schaltungen 20, 22 zwischen den Ausgängen der Regler l8, 19 und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 23 vorgesehen ist.

Es kann ein konventioneller Vergaser benutzt werden. In diesem Falle wird das Ausgangssignal vom Operationsverstärker 23 als Treibersignal für den analogen Vergaser benutzt.

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Claims

Patentansprüche

Regelsystem für das Luft-Brennstcff-Gemisch eines inneren Verbrennungsmotors, in welchem die Abgaszusammensetzung des Motors erfaßt wird, um das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches mittels eines Regelkreises auf einen vorbestimmten Wert zu regeln, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (27, 28) zur Erfassung der den Leerlaufzustand anzeigenden Betriebsparameter des Motors (ll) und eine auf die erfaßten Motorbetriebsparameter ansprechende Einrichtung (17) zur Verkürzung der für die Erreichung des vorbestimmten Wertes des Luft-Brennstoff-Gemisches erforderlichen Zeit.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die erfaßten Motorbetriebsparameter ansprechende Einrichtung einen Regler, der auf die erfaßte Abgaszusammensetzung anspricht, um ein Regelsignal zu erzeugen, und eine Einrichtung (lO) für die Zufuhr des Gemisches zum Motor entsprechend diesem Regelsignal aufweist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die erfaßten Motorbetriebsparameter ansprechende Einrichtung außerdem, ein veränderliches Widerstandsnetzwerk (20, 22) und eine in dieses Netzwerk eingefügte, torgesteuerte Schaltvorrichtung (G₁, G₂) zur Veränderung des Widerstands des Netzwerkes entsprechend der Erfassung der den Leerlaufzustand anzeigenden Motorparameter aufweist, wobei das Netzwerk derart geschaltet ist, um die Größe des Regelsignals zu verändern.

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k. System nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (l8) eine proportionale Ansprechcharakteristik aufweist und daß die proportionale Ansprechcharakteristik entsprechend der Veränderung des Widerstandswertes geändert wird.

5· System nach einem der Ansprüche 2 bis k_t dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (19) eine integrale Ansprechcharakteristik aufweist und daß die integrale Ansprechcharakteristik entsprechend der Veränderung des Widerstandswertes geändert wird.

6. Regelsystem für das Gemisch eines inneren Verbrennungsmotors, in welchem die Abgaszusainmensetzung des Motors erfaßt wird, um das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches mittels eines Regelkreises auf einen vorbestimmten Wert zu regeln, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (15) in dem Regelkreis zur Erfassung der Abgaszusammensetzung zur Erzeugung eines die erfaßte Zusammensetzung anzeigenden Signals, eine Regelschaltung (17) zur Erzeugung eines Regelsignals entsprechend der erfaßten Zusammensetzung, eine Einrichtung (10) für die Zufuhr des Gemisches in Übereinstimmung mit dem Regelsignal, eine Einrichtung (27, 28) zur Erfassung der den Leerlaufzustand anzeigenden Betriebsparameter des Motors und eine auf die erfaßten Motorbetriebsparameter ansprechende Einrichtung (21, 20, 22) zur Verkleinerung der Amplitude des Regelsignals vorgesehen sind.

7· System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Abgaszusammensetzung erfassende^feinrichtung einen Sauerstoff-Meßfühler (15) aufweist, der ein Ausgangssignal mit einem steilen Amplitudenübergang bei einem vorbestimmten Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches erzeugt, das die Regelschaltung (I7) einen Vergleicher (l6)_;

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dem das die Abgaszusammensetzung darstellende Signal zum Vergleich mit einem Bezugsniveau zugeführt wird, um Ausgangssignale mit einem ersten und zweiten binären Niveau in Abhängigkeit davon, ob da3 Eingangssignal über oder unter dean Bezugsniveau ist, zu erzeugen, und einen Proportionalregler (l8) zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das sich proportional zur Größe des an diesen angelegten Eingangssignals und entgegengesetzt zum Vorzeichen dieses Eingangssignals ändert, aufweist und daß die Einrichtung zur Verkleinerung der Amplitude des Regelsignals ein geschaltetes Widerstandsnetzwerk (20) mit veränderlichen Widerstandswerten entsprechend der Erfassung der Motorparameter aufweist, wobei das geschaltete Widerstandsnetzwerk (20) zwischen den Ausgang des Vergleichers (l6) und den Eingang des Proportionalreglers (l8) geschaltet ist.

8. System nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung einen Integralregler (19) zur Erzeugung eines Ausgangssignals aufweist, das sich linear entgegengesetzt zum Vorzeichen des an diesen angelegten Eingangssignals ändert, und daß die Einrichtung zur Verkleinerung der Amplitude des Regelsignals ein zweites geschaltetes Widerstandsnetzwerk (22) mit veränderlichen Widerstandswerten entsprechend der Erfassung der Motorparameter aufweist, das zwischen den Ausgang des Vergleichers (l6) und den Eingang des Integralreglers (19) geschaltet ist, wobei der Ausgang des Integralreglers (19) mit dem Ausgang des Proportionalreglers (l8) verbunden ist.

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9· System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Abgasseite des Motors (ll) stromabwärts von der Einrichtung (15) zur Erfassung der Abgaszusammensetzung ein katalytischer Konverter (l4) vorgesehen ist, der eine Umwandlung der Abgasemissionen in harmlose Stoffe mit dem größten Wirkungsgrad durchführt, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf dem vorbestimmten Wert gehalten wird.

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