DE2625816A1

DE2625816A1 - Gemischregelsystem mit geschlossener regelschleife fuer brennkraftmaschinen mit auspuffgasrueckfuehrung

Info

Publication number: DE2625816A1
Application number: DE19762625816
Authority: DE
Inventors: Hidehiro Minami
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-06-09
Filing date: 1976-06-09
Publication date: 1976-12-23
Also published as: GB1510405A; SE436147B; FR2314365B1; AU1472576A; IT1074479B; FR2314365A1; SE7606493L; JPS51144828A

Description

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

D-8000 München 22 D-4800 Bielefeld

Triftstraße 4 Siekerwall 7

PG 23-76067
St/sc

Nissan Motor Company, Limited No.2, Takara-machi, Kanagawa-ku Yokohama City, Japan

Gemischregelsystem mit geschlossener Regelschleife für Brennkraftmaschinen mit Auspuffgasrückführung

Die Erfindung betrifft ein Gemischregelsystem mit geschlossener Regelschleife für Brennkraftmaschinen und insbesondere ein derartiges System mit Auspuffgasrückführung, wie es im einzelnen im Oberbegriff des Hauptanspruchs wiedergegeben ist.

Es gibt im wesentlichen drei gasförmige Auspuffrohr-Emissionen, die zu regeln sind. Zwei dieser Gase ergeben sich aus einer unvollkommenen Verbrennung. Kohlenwasserstoffe (HC) entstehen durch unverbrannten Brennstoff, während Kohlenmonoxyd (CO) in Zusammenhang steht mit dem Luft-Brennstoff-Verhältnis der Brennkraftmaschine und eine Funktion der für die Verbrennung zur Verfügung

609852/0743

stehenden Luft ist. Anderseits sind Oxyde des Stickstoff (NOx) natürliche Verbrennungsprodukte, die mit der Leistungsabgabe der Maschine in Zusammenhang stehen. Verfahren, die zur Reduzierung des NOx dienen, erhöhen im allgemeinen die Anteile an HC und CO. Weiterhin erfordert eine Regelung außerhalb der Maschine eine Oxydierung zur Ausschaltung von HC und CO und eine chemische Reduktion zur Eliminierung von NOx.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, ein Gemischregelsystem mit geschlossener Regelschleife zu schaffen, dessen Regelsystem eine Auspuffgas-Rückführleitung zwischen der Auspuffleitung und dem Ansaugkrümmer zur Unterdrückung der Erzeugung von NOx, einen Abgas-Sensor zur Abtastung der Zusammensetzung der Auspuffgase und eine Steuerung zur Einregulierung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses auf den stöchiometrischen Wert zur Reduzierung von HC und CO sowohl von NOx mit Hilfe eines katalytischen Dreiwege-Konverters umfasst.

Weiterhin soll ein Gemischregelsystem mit geschlossener Regelschleife in Kombinention mit einer Auspuffgasrückführung vorgesehen werden, bei dem das Luft-Brennstoff-Verhältnis und die Auspuffgasrückführung beide gesteuert werden, wenn die Betriebsparameter der Maschine außerhalb der normalen Betriebsparameter liegen und eine Abnahme der Leistungsfähigkeit der Maschine verhindert werden soll.

Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs. Erfindungsgemäß ist ein Gemischregelsystem mit geschlossener Regelschleife für eine Brennkraftmaschine eines Straßenfahrzeugs vorgesehen, das folgende Bestandteile umfasst: Eine Einrichtung zur Rückführung eines Teiles der Auspuffgase zu der Brennkammer der Brennkraftmaschine einschließlich eines Regelventils zur Regelung des Volumens der rückgeführten Auspuffgase; einen katalytischen Dreiwege-Konverter in Verbindung mit dem Auspuffrohr der Brennkraftmaschine; einen Abgassensor in dem Auspuffrohr zur Erzeugung eines Signals, das der Zusammensetzung der Auspuffgase entspricht; eine Steuerung für das Luft-Brennstoff-

609852/0743

2825816

Verhältnis, die mit dem Abgassensor verbunden ist und das für die Zusammensetzung der Auspuffgase repräsentative Signal mit einem vorbestimmten Wert vergleicht und ein Ausgangssignal erzeugt, das erkennen läßt, ob das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches oberhalb oder unterhalb des stöchiometrischen Wertes liegt; und eine Zufuhreinrichtung für Gemisch in Verbindung mit der Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses zur gesteuerten Zufuhr eines Luft-Brennstoff-Gemisches zu der Brennkraftmaschine entsprechend dem erwähnten Ausgangssignal.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig.1 ist eine schematische Darstellung verschiedener Teile einer Brennkraftmaschine mit dem zugehörigem Leitungssystem für eine Gemischregelung mit geschlossener Regelschleife und eine Auspuffgasrückführung;

Fig.2 ■ ist ein Schaltdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig.3 zeigt in weiteren Einzelheiten ein Schalt-•diägranni eines Teils der Fig.2;

Fig.4 ist ein schematisches.Schaltdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig.5 veranschaulichen Einzelheiten aus Fig.4; und 6

Fig.7 ist ein Schaubild zur Veranschaulichung

der veränderlichen Vergleichsspannung zur Erläuterung der Schaltung der Fig.5.

609852/0743

Gemäß Fig.1 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgassensor 3 in dem Auspuffrohr 2 versehen. Der Abgassensor tastet die Konzentration einer bestimmten Zusammensetzung der Auspuffgasbestandteile ab. Ein im Handel erhältlicher Zirconium-Sauerstoff-Sensor ist im Zusammenhang mit der Erfindung verwendbar. Dieser Abgassensor liefert ein Ausgangssignal mit einer steilen Flanke in der Amplitude am stöchiometrischen Punkt des Luft-Brennstoff-Gemisches, d.h., ein hohes Ausgangssignal bei Gemischen, die fetter als der stöchiometrische Wert sind, und ein niedriges Ausgangssignal beim magereren Gemischen. Das für die Zusammensetzung repräsentative Signal des Abgassensors 3 gelangt an eine Steuerung 4, in der das Signal mit einer Vergleichsspannung verglichen und ein Steuersignal erzeugt wird. Dieses Steuersignal wird an ein Betätigungsorgan 6 eines Dosiersystems 5 weitergeleitet, das ein Luft-Brennstoff-Gemisch den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 derart zuführt, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis erhöht wird, wenn ein fetteres Gemisch abgetastet wird, bzw. verringert wird, wenn magerere Gemische festgestellt werden. Wenn der Abgassensor eine hohe Ausgangsspannung aufweist, verringert das Steuersignal die Brennstoffmenge und umgekehrt, so daß das Gemisch auf das stöchiometrische-· Luft-Brennstoff-Verhältnis eingeregelt wird.

Ein katalytischer Dreiwege-Konverter 7 ist in dem Auspuffrohr 2 vorgesehen. Der Konverter dient dazu, gleichzeitig HC,CO und NOx in unschädlichen Wasserdampf und Kohlendioxyd bei einem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches umzuwandeln. Das Auspuffrohr 2 ist durch eine Schicht aus wärmeisolierendem Material 8 umgeben, durch das die Auspuffgase auf hohen Temperaturen gehalten werden, so daß die Reduktion des NOx innerhalb des katalytischen Konverters gefördert wird.

Eine Auspuffgas-Rückleitung 9 ist zwischen dem Auspuffrohr und dem Ansaugkrümmer 11 vorgesehen und schließt ein Regelventil 10 ein. Die Auspuffgase werden teilweise durch den

609852/0743

Ansaugkrümmer wiederum in die Brennkraftmaschine eingeleitet und senken die Verbrennungstemperatur während des Verbrennungsvorganges in den Maschinenzylindern, so daß die Entstehung von Stickoxyd verringert wird. Diese Verringerung der Stickoxyde vor der Umwandlung durch den katalytischen Konverter 7 dient zur Reduzierung der gesamten Erzeugung an NOx, obwohl die Wirkung des Konverters mit der Zeit abnimmt.

Bei einem Rückführungsdurchsatz von etwa 10 Vol.-% liefert der Abgassensor 3, beispielsweise ein Sauerstoffsensor, ein Ausgangssignal, das im wesentlichen eine Funktion des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des in die Maschinenzylinder eingeführten Gemisches ist. Das Regelventil 10, das zur Festlegung der zurückgeführten Abgasmenge dient, wird beispielsweise entsprechend dem Venturi-ünterdruck durch einen Kanal 10a gesteuert. Da das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf den stöchiometrischen Wert eingeregelt wird, wird ein bestimmter Toleranzbereich der Abgasrückführung zugelassen, ohne daß die Arbeitsweise der Maschine beeinträchtigt wird. Mit 10b ist ein Ventil bezeichnet, das die Verbindung zwischen dem Venturiabschnitt des Vergasers oder Dosiersystems 5 und dem Regelventil 10 unterbricht, wenn die Maschinentemperatur unter einem vorbestimmten Wert liegt, so daß bei niedriger Temperatur die Rückleitung 9 zur Verbesserung eines stabilen Laufes der Brennkraftmaschine 1 geschlossen ist.

Es ist wünschenswert, die Brennstoffmenge zu erhöhen und ein fetteres Luft-Brennstoff-Gemisch zu erzeugen, als es ein stöchiometrisches Gemisch darstellt, wenn die Maschinentemperatur niedrig ist oder die Maschine im Leerlauf arbeitet.

Zur Erzeugung eines fetteren Gemisches wird die Steuerung mit geschlossener Regelschleife durch Signale eines Temperaturde-■ tektors 13, eines Leerlauf schalters 14 und eines Drosselschalters 15a ausgeschaltet. Der Temperaturdetektor 13 tastet

609852/0743

die Temperatur des Kühlmittels der Brennkraftmaschine ab und liefert ein Signal bei niedrigen Maschinentemperaturen. Der Eeerlaufschalter 14 und der Drosselschalter 15a sind in Reihe mit der Steuerung 4 geschaltet und liefern ein Ausgangssignal, wenn die Maschine im Leerlauf läuft und der Getriebeschalthebel in einer neutralen Position und die Drosselklappe geschlossen ist. Das Signal des Temperaturdetektors 13 oder der erwähnten Leerlaufabtastung mit den Schaltern und 15a bringt das Steuersignal auf einen Wert, der für ein fettes Gemisch sorgt. Ein weiterer Drosselschalter 15b erzeugt ein Signal, wenn die Drosselklappe im wesentlichen vollständig geöffnet ist und gibt dieses an die Steuerung ab_f so daß diese wiederum ein fettes Gemisch hervorruft.

Weiterhin ist ein Zündverteiler 16 vorgesehen, der eine eingebaute Unterdruck-Zündzeitpunktsverstellung zur Erzielung eines optimalen Zündzeitpunkts und einer besseren Leistung der Maschine aufweist. Die Zündzeitpunktsverstellung des Zündverteilers 16 steht mit einem Durchlass angrenzend an die Drosselklappe über eine Leitung 17 und ein Unterdruck-Schließventil 18 in Verbindung. Das Signal des Temperatursensors 13 gelangt ebenfalls an das Schließventil 18 und verzögert den Zündzeitpunkt, wenn die Maschinentemperatur geringer als ein vorbestimmter Wert ist, indem es die Verbindung zwischen dem Unterdruck-Zündverstellmechanismus und dem erwähnten Durchlass unterbricht.

Bei Verzögerung der Maschine kann sich die Drosselklappe schnell aus der vollständig geöffneten in eine nahezu geschlossene Position bewegen, so daß ein beträchtlicher Unterdruck in dem zu der Maschine führenden Ansaugsystem entsteht und das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches erheblich verringert wird und .unverbrannte Gase entstehen. Zu diesem Zweck ist ein Drosselklappen-Steuermechanismus vorgesehen, der dazu dient, eine vollständige Schließung der Drosselklappe zu verhindern, wenn der Ansaugunterdruck oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, so daß ein ausreichender Strom die Drosselklappe passieren: kann und die Brennkraftma-

609852/0743

schine in Bewegung bleibt. Der Steuermechanismus 20 umfaßt einen Drosselklappenöffner 20a, der den Ansaugkanal öffnen kann, wenn die Drosselklappe aus der vollständig geöffneten Stellung in die nahezu geschlossene Stellung freigegeben wird, so daß eine vollständige Schließung der Drosselklappe verhindert wird. Der Steuermechanismus der Drosselklappe spricht auf das Ansaugvakuum am, das über eine Leitung 21 abgetastet wird, und ferner auf die Maschinendrehzahl, die durch einen Drehzahlmesser 22 ermittelt wird und den Drosselklappenöffner 20a außer Betrieb setzt, wenn die Maschinendrehzahl unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt.

Die Brennkraftmaschine 1 ist weiterhin mit einer nicht gezeigten Zwangsentlüftung für das Kurbelgehäuse versehen, die die augetretenen Gase in die Brennkammer zurückführt, in der sie bei normalem Verbrennungsvorgang verbraucht wird.

Mit 27 ist ein Kohlenstoffbehälter bezeichnet, der über eine Leitung 26 verdampften Brennstoff aus einem Behälter 25 sammelt, der mit dem Brennstofftank 24 verbunden ist. Ein Steuerventil 29, das entsprechend dem Ansaugunterdruck über eine Leitung 28 gesteuert ist, führt Brennstoff in den Ansaugkrümmer 11 durch eine Leitung 30 ein, so daß der verdampfte Brennstoff, der andernfalls an die Atmosphäre austreten würde, in die Brennkammer der Brennkraftmaschine 1 gelangt.

Das System umfasst weiterhin einen Höhenausgleich 33, der die Tendenz einer Anreicherung des Luft-Brennstoff-Gemisches bei großen Höhen gegenüber dem Meeresspiegel kompensiert. Der Höhenausgleich 33 umfasst eine nicht gezeigte, druckempfindliche Membran, die ein nicht gezeigtes Steuerventil betätigt, das in dem Dosierungssystem 5 vorgesehen ist und die Zufuhr zusätzlicher Luft steuert, so daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis erhöht /abgemagert) wird, wenn der durch die Membran abgetastete Atmosphärendruck abnimmt.

Wenn die Auspuffgase zurückgeführt werden, ergibt sich ein instabiler Lauf der Maschine. Dieses Problem spielt insbesondere

609852/0743

eine Rolle, wenn außergewöhnliche Bedingungen in der Rückkopplungssteuerung des Gemisches herrschen oder wenn die Maschine unter besonderen Betriebsbedxngungen läuft, wie sie beispielsweise bei der Verzögerung oder beim Kaltstart auftreten. Figur 2 veranschaulicht schematisch die Gemischsteuerung mit geschlossener Regelschleife in Kombination mit einem Auspuffgas-Rückführsystem, wobei zugleich Vorkehrungen getroffen sind, um die erwähnten unerwünschten Konsequenzen auszuschalten. Gemäß Fig.2 ist ein Detektor 40 zum Abtasten außergewöhnlicher Bedingungen vorgesehen, der mit seinen Eingangsklemmen a bis e mit verschiedenen Abtastelementen verbunden ist, die in sinnvoller Weise in dem erfindungsgemäßen System untergebracht sind. Die Abtastelemente umfassen einen Temperatursensor 41 an der inneren Wand des katalytischen Konverters 7, der ein für die Temperatur repräsentatives Signal an den Detektor 40 über die Eingangsklemme a abgibt. Der Sauerstoff- oder Abgassensor 3 ist über die Eingangsklemme b mit dem Detektor 40 verbunden. Ein Temperatursensor 42, der sich in das Auspuffrohr 2 hinein erstreckt, tastet dort die Temperatur ab und ist mit der Eingangsklemme c verbunden. Der Drehzahlmesser 22 ist über die Eingangsklemme d und der Drosselschalter 15 über die Eingangsklemme e mit dem Detektor 40 verbunden. Das Ausgangssignal des Detektors 40 ist mit der Steuerung 4 und mit dem Rückführungs-Regelventil 10 verbunden, durch das die Rückleitung 9 blockiert werden kann. Der Detektor 40 ist in Fig.3 im einzelnen gezeigt. Er umfasst eine Anzahl von Comparatoren 51,52, 53 und 54. Das Ausgangssignal des Temperatursensors 41, der die Temperatur des katalytischen Konverters 7 abtastet, gelangt durch die Klemme a an den Comparator 51 des Detektors 40, durch den es mit einer Vergleichsspannung Vref verglichen wird. Es entsteht ein Ausgangssignal, wenn die abgetastete Temperatur einen vorbestimmten Wert überschreitet, der der Vergleichsspannung entspricht. Das Ausgangssingnal gelangt an ein Relais 55 über eine ODER-Schaltung 56. Die Steuerung 4 umfasst einen Differenzverstärker 60, dessen umkehrender Eingang mit dem Ausgang des Abgassensors 3 über eine Eingangsklemme b und dessen nicht"umkehrender Eingang mit einer Gleichsspannung einer

609852/0743

Spannungsteilerschaltung R1,R2 verbunden ist. Das Differenzsignal am Ausgang des Differenzverstärkers gelangt an den umkehrenden Eingang eines Integralsteuerungs-Operationsverstärkers 61 und zugleich an den umkehrenden Eingang eines Proportionalsteuerungs-Operationsverstärkers 62. Der Integralsteuerungs-Operationsverstärker 61 umfasst einen integrierenden Kondensator C zwischen dem umkehrenden Eingang und dem Ausgang, und der nicht-umkehrende Eingang ist geerdet. Der intengrierende Kondensator C. is€ durch Relaiskontakt 55-1 überbrückt, wenn dieser betätigt wird und die gespeicherte Energie in die Nebenschlußbahn freigibt. Der Proportional-Operationsverstärker 62 ist mit seinem nicht-umkehrenden Eingang geerdet, so daß eine Spannung entsteht, deren Polarität dem Vorzeichen des Ausgangssignals entgegengesetzt ist, das von dem Differenz-Verstärker 60 an den umkehrenden Eingang eines Addier-Operationsverstärkers 63 über einen normalerweise geschlossenen Relaiskontakt 55-2 gelangt. Das Ausgangssignal des Integral-Operationsverstärkers 61 ist weiterhin mit dem umkehrenden Eingang des Addier-Operationsverstärkers 63 verbunden, so daß eine Summe der beiden Eingangsspannungen gebildet wird. Wenn die ODER-Schaltung 56 auf hohe Spannung geht und das Relais 55 betätigt, wird der integrierende Kondensator C. kurzgeschlossen, und das Ausgangssignal des Proportional-Operationsverstärkers wird abgetrennt. Dadurch verringert sich die Spannung am umkehrenden Eingang des Addier-Operationsverstärkers 63 auf ein minimum, so daß die Rückkopplungs-Gemischsteuerung unterbrochen wird.

Das Ausgangssignal des Temperatursensors 42 ist repräsentativ für die Auspuffgastemperatur. Wenn die Auspuffgastemperatur niedriger als die Betriebstemperatur des Abgassensors 3 ist, arbeitet der Abgassensor 3 nicht angemessen, so daß es wünschenswert ist, die geschlossene Steuerschleife zu unterbrechen. Aus diesem Grunde gelangt das Ausgangssignal des Temperatursensors 42 an den Comparator 52, der das Signal mit einer Vergleichsspannung Vref vergleicht, die für die Betriebstemperatur des Abgassensors 3 repräsentativ ist, so daß ein Ausgangssignal entsteht, wenn die abgetastete Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur des Abgassensors 3 liegt. Daher ist das Ausgangssignal

609852/0743

des Comparators 52 ein Anzeichen für eine unerwünschte Situation beim Betrieb des Abgassensors 3, und es wird dazu verwendet, das Relais 55 über die ODER-Schaltung 56 zu betätigen und die Steuerung 4 auszuschalten.

Das für die Maschinendrehzahl repräsentative Signal des Drehzahlmessers 22 gelangt an einen Eingang des Comparators 53 und wird mit einer Vergleichsspannung Vref verglichen, die repräsentativ für eine vorgegebene Maschinendrehzahl ist. Es entsteht ein Ausgangssignal, wenn die Maschinendrehzahl oberhalb der vorgegebenen Drehzahl liegt. Eine UND-Schaltung 50 erzeugt ein gekoppeltes Ausgangssignal, wenn das Ausgangssignal des Comparators 53 gleichzeitig mit der Betätigung des Drosselschalters 15 auftritt, wenn die Drosselklappe nahezu geschlossen ist. Das Ausgangssignal der UND-Schaltung 50 ist ein Anzeichen dafür, daß die Maschine verzögert wird und eine beträchtliche Menge von unverbrannten Auspuffgasen ausgestoßen wird, die die Arbeitsweise des Abgassensors 3 beeinträchtigen. Da die unverbrannten Abgase die Zündkerze ungünstig beeinflussen, ist es wünschenswert, ebenfalls die Rückleitung 9 zu blockieren, wenn das Fahrzeug verzögert wird. Das Ausgangssignal der UND-Schaltung 50 gelangt über die ODER-Schaltung 56 an das Relais 55, so daß die Steuerung 4 abgeschaltet wird.

Das Ausgangssignal des Abgassensors 3 gelangt ebenfalls an den Comparator 54 und wird dort mit einer Vergleichsspannung Vref verglichen. Wenn eine Fehlfunktion in dem Abgassensor 3 oder in dem Brennstoff-Dosiersystem 5 (beispielsweise in einem Luftsteuerventil eines Vergasers) auftritt, nimmt der Abgassensor 3 je nach Art der Fehlfunktion einen hohen oder niedrigen Ausgangswert an und behält diesen Ausgangswert, solange der Fehler besteht. Wenn ein hohes Ausgangssignal von dem Abgassensor 3 abgegeben wird, erzeugt der Operationsverstärker-Comparator 54 ein Ausgangssignal mit negativer Polarität, das an eine UND-Schaltung 58 über einen Inverter und eine ODER-Schaltung 57 abgegeben wird. Die UND-Schaltung 58 läßt Zeitimpulse an einen Binärzähler 59 durch, der ein Ausgangssignal

609852/0743

abgibt, wenn eine vorbestimmte Zählung erreicht ist und der hohe Ausgangswert des Abgassensors für einen längeren Zeitraum vorliegt. Wenn umgekehrt ein niedriger Ausgangswert über längere Zeit vorliegt, erzeugt der Comparator 54 ein Ausgangssignal mit positiver Polarität, das an die UND-Schaltung 58 über die ODER-Schaltung 57 gelangt. Der Zähler 59 beginnt mit der Zählung der Zeitimpulse und bestimmt, ob ein Fehler in der Regelschleife vorliegt. Das Ausgangssignal des Zählers 59 ist ein Anzeichen dafür, daß ein Fehler aufgetreten ist, und es wird dazu verwendet, daß Relais 55 über die ODER-Schaltung 56 zu betätigen und die Steuerung 4 abzuschalten.

Das Ausgangssignal des Detektors 40 ist ebenfalls mit dem Rückführungs-Regelventil 10 verbunden und blockiert die Rückleitung 9, wenn die oben erwähnten unerwünschten Situationen eingetreten sind.

Ein weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig.4 gezeigt. In diesem Falle wird ein Kaltstart der Brennkraftmaschine abgetastet und ie Rückleitung für Auspuffgase wird unterbrochen und das Luft-Brennstoff-Verhältnis wird verringert und ein fetteres Gemisch wird zugeführt. Gemäß Fig.4 ist ein Temperatursensor 70 zur Abtastung der Kühlmitteltemperatur der Brennkraftmaschine vorgesehen, der ein für die die Temperatur repräsentatives Signal an einen Kaltstart-Detektor 71 über eine Eingangsklemme b abgibt. Das Signal des Abgassensors 3 ist mit dem Kaltstart-Detektor 71 über ■ eine Eingangsklemme a verbunden. Der Detektor 71 liefert ein erstes Ausgangssignal an die Steuerung 4 und bringt die Steuerspannung auf ein Spannungsniveau, bei dem das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches gering ist, und ein zweites Ausgangssignal an das Regelventil 10 der Auspuffgasrückführung, durch das die Rückleitung 9 blockiert wird.

Figur 5 zeigt den Kaltstart-Detektor 71, der einen Feldeffekttransistor 72 umfasst, der mit seinem Steuereingang über eine Eingangsklemme a mit dem Abgassensor 3 verbunden ist. Die Drain-

609852/0743

Elektrode ist mit einer positiven Spannung + Vcc verbunden, und die Source-Elektrode steht mit einer negativen Spannung - Vcc über einen Widerstand R3 in Verbindung. Die Source-Elektrode des FET 72 ist mit dem Umkehr-Eingang des Differenzverstärkers 60 der Steuerung 4 verbunden. Eine Gleichspannung von einer Spannungsteilerschaltung R1, R2 ist mit dem Umkehreingang des Differenzverstärkers 60 verbunden. Das Signal, das an den nicht-umkehrenden Eingang des Differenzverstärkers 60 gelangt, wird von einer Spannungsteilerschaltung R4, R5 über eine Diode D1 und von einer Spannungsteilerschaltung R6, R7 über eine Diode D2 zugeführt. Die Spannungsteilerschaltung R6, R7 ist mit einem Ende mit der positiven Spannung + Vcc und mit dem anderen Ende mit der Eingangsklemme b verbunden, mit der ebenfalls der Temperatursensor 70 in Verbindung steht. Dieser Temperatursensor ändert seinen Widerstand umgekehrt proportional zu der abgetasteten Temperatur, so daß die Spannung an der Verbindung zwischen R6 und R7 umgekehrt proportional zu der abgetasteten Temperatur geändert wird, wie Fig.7 zeigt. Die Dioden D1, D2 geben wahlweise eine höhere Spannung an den nicht-umkehrenden Eingang des Differenzverstärkers 60 ab. Nach dem Starten der Maschine erhöht sich die Kühlmitteltemperatur, und folglich ist die Spannung der Spannungsteilerschaltung R6, R7 höher als die Spannung der Spannungsteilerschaltung R4, R5, so daß die Diode D2 leitend wird und ein temperaturabhängiges Signal abgibt, bis eine Spannung erreicht ist, die gleich der Spannung der Spannungsteilerschaltung R4, R5 ist. Bei weiterer Temperatursteigerung wird die Diode D1 leitend und gibt eine konstante Spannung an den Differenzverstärker 60 ab. Daher wird das Signal, das an den Umkehr-Eingang des DifferenzVerstärkers 60 gelangt, mit einer veränderlichen Vergleichsspannung verglichen, die bei niedriger Maschinentemperatur hoch ist und mit zunehmender Temperatur abnimmt, bis sie die Spannung erreicht, die durch die Spannungsteilerschaltung R4, R5 vorgegeben ist. Wenn die Spannung an dem Umkehr-Eingang höher ist als die Vergleichsspannung an dem nicht-umkehrenden Eingang, wird ein Ausgangssignal mit negativer

609852/0743

Polarität durch den Differenzverstärker 60 abgegeben, welches Signal eine Steuerspannung erzeugt, die das Gemisch abmagert. Wenn umgekehrt die Spannung an dem Umkehr-Eingang niedriger als die Vergleichsspannung ist, wird ein positives Ausgangssignal an das Dosiersystem 5 abgegeben, so daß das Gemisch angereichert wird. Da die Vergleichsspannung umgekehrt "veränderlich ist als Funktion der Kühlmitteltemperatur, liefert das Steuersystem ein fetteres Gemisch, während die Maschine im Kaltstartbereich erwärmt wird.

Die Eingangsklemme b ist mit der Basis eines Transistors 73 über einen Widerstand R8 verbunden, dessen Emitter mit einer Gleichspannung einer Spannungsteilerschaltung R9, R10 und dessen Collector mit der Basis eines Transistors 74 verbunden ist. Der Transistor 74 ist mit seinem Emitter mit einer positiven Spannung + V und mit seinem Collector mit dem Elektromagneten des Rückführungs-Regelventils 10 verbunden. Wenn die Kühlmitteltemperatur während der Anlaufperiode niedrig ist, ist das Potential an der Basis des Transistors 73 hoch, so daß der Transistor leitend wird und ein Basisstrom zu dem Transistor 74 fließt, der diesen einschaltet, so daß das Regelventil 10 erregt wird. Daher wird die Rückleitung 9 während des Kaltsstarts blockiert. Bei dieser der Veranschaulichung dienenden Ausführungsform wird der Transistor 73 durch die Spannung eingeschaltet, die von der Verbindung zwischen den Widerständen R9 und R10 zugeführt wird, und es ist daher möglich, die Zeit der Erregung des Regelventils 10 unabhängig von der Steuerung des Luft-Brennstoff-Gemisches durch die geeignete Auswahl der Widerstände R9 und R10 einzustellen.

Figur 6 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform der Schaltung der Fig.5, die mit dieser weitgehend übereinstimmt, ausgenommen, daß der Transistor 73 mit seiner Basis mit der Verbindung zwischen den Widerständen R6 und R7 und mit seinem Emitter mit der Verbindung zwischen den Widerständen R4 und R5 verbunden ist. Von dieser Verbindung aus wird eine variable Yergleichsspannung an dem nicht-umkehrenden Eingang des Differenzverstärkers 60 abgenommen. Wenn die Maschinentemperatur unter

609852/0743

einem vorbestimmten Wert liegt, ist das Potential an der Basis des Transistors 73 hoch, so daß der Transistor leitend wird und seinerseits den Transistor 74 leitend macht. Durch Einschaltung des Transistors 73 wird die Vergleichsspannung über die Spannung erhöht, die direkt von der Verbindung zwischen den Widerständen R4 und R5 abgenommen wird, so daß während der Kaltstartperiode das Steuersystem das Gemisch anreichert, wie es zuvor beschrieben wurde. Gleichzeitig wird mit der Erhöhung der Vergleichsspannung das Regelventil 10 durch den Strom erregt, der durch die Emitter-Colector-Bahn des Transistors 74 fließt.

Ein Experiment hat gezeigt, daß das erfindungsgemäße Regelsystem mit geschlossener Regelschleife unter Verwendung einer Auspuffgas-Rückführung gewährleistet, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis in einem Bereich von -, 0,3% des gewünschten Wertes (des stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnisses) gehalten wird, und zwar im Gegensatz zu einem Bereich von 3%, der mit herkömmlichen Vergasern erreichbar ist.

Wie oben beschrieben wurde, werden die giftigen Auspuffgase der Brennkraftmaschine 1 in wirksamer Weise zu unschädlichen Gasen unter verschiedenen Betriebsbedingungen der Maschine einschließlich der Verzögerung, des Leerlaufs und des Kaltstarts reduziert. Änderungen des atmosphären Druckes werden berücksichtigt, und ein Luftmangel als Funktionder Höhe über dem Meeresspiegel wird ausgeglichen, so daß eine vollständige Verbrennung de Gemisches erreicht wird. Der Kohlenstoffbehälter zur Überführung verdampfter Brennstoffgase zu der Brennkammer und das Kurbelgehäuse-Entlüftungssystem zur Rückführung ausgetretener Gase tragen wirksam dazu bei, die Gesamtmenge der giftigen Abgase der Brennkraftmaschine zu reduzieren.

Weiterhin kann ein katalytischer Dreiwege-Konverter vorgesehen sein, dessen Wirksamkeit dadurch gesteigert werden kann, daß der Konverter mit Luft geheizt wird, die durch den nicht gezeigten Auspuffkrümmer erwärmt worden ist.

609852/0743

Das erfindungsgemäße Geitiischregelsystem mit den verschiedenen Steuereinrichtungen für die Auspuffgase gestattet es_f giftige Auspuffgase auf eine Menge zu reduzieren, die den Umweltbestiiranungen entspricht, ohne daß die Leistung der Brennkraftmaschine und die Brennstoffkosten in ungünstiger Weise beeinflusst werden.

- Patentansprüche -

609852/0743

Claims

Patentansprüche

Gemischregelsystem mit geschlossener Regelschleife für die Brennkraftmaschine eines Straßenfahrzeugs, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (9,10) zur Rückführung eines Teils der Auspuffgase zu der Brennkammer der Brennkraftmaschine (1), die ein Regelventil (10) zur Regelung des rückgeführten Volumens umfasst, einen katalytischen Dreiwege-Konverter (7) in Verbindung mit dem Auspuffrohr (2) der Brennkraftmaschine, einen Abgassensor (3) in dem Auspuffrohr (2), der ein für die Zusammensetzung des Auspuffgases repräsentatives Signal liefert, eine Steuerung (4) für das Luft-Brennstoff-Verhältnis, die mit dem Abgassensor (3) verbunden ist und das für die Abgaszusammensetzung repräsentative Signal mit einem vorbestimmten Wert vergleicht und ein Steuersignal erzeugt, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches überhalb oder unterhalb des stöchiometrisehen Wertes liegt, und ein Dosiersystem (5) zur Herstellung des Gemisches, das mit der Steuerung (4) verbunden ist und die Zufuhr des Luft-Brennstoff-Verhältnisses zu der Brennkraftmaschine entsprechend dem Steuersignal der Steuerung (4) einstellt.
2. Gemischregelsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (40) zum Abtasten von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (1), die angibt, wenn die Betriebsparameter außerhalb eines normalen Betriebsbereiches liegen, sowie dadurch, daß das Regelventil (10) zur Unterbrechung der Auspuffgas-Rückführung mit der Einrichtung (40) verbunden ist.
3. Gemischregelsystem nach Anspruch 2, dadurch g ekennz eichnet, daß die Einrichtung (40,71) zum Abtasten der Betriebsparameter einen Temperatursensor (70) zum Abtasten der Maschinentemperatur und eine Einrichtung (71) zum Vergleichen dieser Temperatur mit einem vorgegebenen Wert umfasst, die ein Ausgangs-

609852/0743

signal liefert, wenn die. abgetastete Temperatur unter 'dem vorbestimmten Wert liegt.
4. Gemischregelsystem nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung (40,71) einen bestimmten Betriebsparameter abtastet und anzeigt, wenn dieser Parameter außerhalb des normalen Betriebsbereiches liegt, und daß eine Einrichtung (40,71) vorgesehen ist, die die Steuerung (4) für das Luft-Brennstoff-Verhältnis bei vorliegen dieser Anzeige ausschaltet und das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf einen vorbestimmten Wert festlegt.
5. Gemischregelsystem nach Anspruch 4, dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung (40,71) zum Abtasten der Betriebsparameter eine Einrichtung ( 14 ) zum Abtasten des Leerlaufes der Brennkraftmaschine (1) umfasst, und daß bei Vorliegen dieses Zustandes die Steuerung (4) derart regelbar ist, daß sie das Luft-Brennstoff-Verhältnis zur Erzeugung eines fetteren Gemisches oberhalb des stöchiometrisehen Wertes verringert.
6. Gemischregelsystem nach Anspruch 5, dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abtasten des Leerlaufs der Brennkraftmaschine (1) eine Einrichtung (15) zum Abtasten der geschlossenen Drosselklappenstellung und eine Einrichtung zum Abtasten der Leerlaufposition eines Schalthebels umfasst.
7. Gemischregelsystem nach Anspruch 4, dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung (40,71) zum Abtasten der Betriebsparameter eine Einrichtung zum Abtasten der vollständig geöffneten Drosselklappen-Stellung umfasst, und daß die Steuerung (4) derart regelbar ist, daß sie in diesem Falle das Luft-Brennstoff-Verhältnis zur Bildung eines fetteren Gemisches oberhalb des stöchiometrischen Wertes verringert.

609852/0743
8. Gemischregelsystem nach Anspruch 7, dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abtasten der vollständig geöffneten Drosselklappenstellung ein Drosselschalter (15) ist.
9. Gemischregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (13,70) zum Abtasten der Maschinentemperatur und eine Einrichtung (16) zum Verzögern des Zündzeitpunktes bei einer Maschinentemperatur unterhalb eines vorgegebenen Wertes.
10. Gemischregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (20,20a), die eine plötzliche Zunahme des Ansaugvakuums verhindert.
11. Gemischregelsystem nach Anspruch 10, dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung (20,20a) einen Drosselklappen-Steuermechanismus (20) zur Steuerung der Bewegung der Drosselklappe der Brennkraftmaschine umfasst, der eine vollständige Schließung der Drosselklappe verhindert, wenn diese aus der vollständig geöffneten Stellung in die nahezu geschlossene Stellung freigegeben wird.
12. Gemischregelsystem nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (22) zum Abtasten der Maschinendrehzahl und zur Ausschaltung des Drosselklappen-Steuermechanismus (20), wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt.
13. Gemischregelsystem nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (33) zum Abtasten der Höhe des Fahrzeugs über dem Meeresspiegel und zur Steuerung der Zufuhr von Luft zu den Zylindern der Brennkraftmaschine entsprechend der abgetasteten Höhe. 609852/0743
14. Gemischregelsystem nach Anspruch 13, bei dem das zugeordnete Fahrzeug einen Brennstofftank aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (25,27) zum Sammeln verdampften Brennstoffs und zur überführung dieses Brennstoffs in den Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine entsprechend dem Ansaugunterdruck vorgesehen ist.
15. Gemischregelsystem nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch ein Entlüftungssystem für das Kurbelgehäuse.
16. . Gemischregelsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 15,

dadurch gekennz eichnet, daß die Einrichtung (40,71) zum Abtasten von Betriebsparameter mit dem Abgassensor (3) verbunden ist und auf ein außergewöhnliches Signal des Abgassensors anspricht.
17. Gemischregelsystem nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (40,71), die die Steuerung (4) für das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf ein vorbestimmtes Luft-Brennstoff-Verhältnis festlegt.
18. Gemischregelsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (40,71) zum Abtasten der Betriebsparameter einen Temperatursensor zum Abtasten der Temperatur in dem katalytischen Konverter umfasst una derart ausgebildet ist, daß diese Temperatur mit einem vorbestimmten Wert verglichen und ein Signal zur Betätigung des Regelventils (10) geliefert wird, wenn die abgetastete Temperatur oberhalb des vorbestimmten Wertes liegt.
19. Gemischregelsystem nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (40,71), die die Steuerung (4) für das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf einen Wert unterhalb des stöchiometrisches Wertes festlegt. 609852/0743
20. Gemischregelsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (40,71) zum Abtasten der Betriebsparameter eine Einrichtung (22,15) zum Abtasten einer Verzögerung der Brennkraftmaschine umfasst.
21. Gemischregelsystem nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (40,71) zum Festlegen der Steuerung (4) für das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf ein Luft-Brennstoff-Verhältnis mit vorbestimmten! Wert.
22. Gemischregelsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (40,71) zum Abtasten der Betriebsparameter einen Temperatursensor (42) zum Abtasten der Temperatur im Auspuffrohr (2) umfasst und diese Temperatur mit einem vorbestimmten Wert vergleicht und das Regelventil (10) der Auspuffgasrückführung schließt, wenn die abgetastete Temperatur unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt.
23. Gemischregelsystem nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (40,71) zum Festlegen der Steuerung (4) auf ein vorbestimmtes Luft-Brennstoff-Verhältnis.
24. Gemischregelsystem nach einem der Ansprüche 2 bsi 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (40,71) zum Abtasten der Betriebsparameter eine Einrichtung (70) zum Abtasten der Maschinentemperatur umfasst, die derart geschaltet ist, daß das Vergleichsniveau umgekehrt proportional zu der abgetasteten Geschwindigkeit geändert wird.
25. Gemischregelsystem nach Anspruch 24, dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung (70) zum Abtasten der Maschinentemperatur ein Thermistor ist.

6098 5 2/0743
26. Gemischregelsystem nach Anspruch 24, dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ändern des Vergleichsniveaus (Fig.5) eine erste auf eine Polarität ansprechende Einrichtung (D1), die mit einem Ende mit einer ersten Gleichsspannung verbunden ist, eine Einrichtung (70) zur Umwandlung der abgetasteten Maschinentemperatur in eine für die Maschxnentemperatur repräsentative Spannung, und eine zweite, auf eine Polarität ansprechende Einrichtung (D2) umfasst, die mit einem Ende mit dieser für die Maschxnentemperatur repräsentativen Spannung verbunden ist, und daß die beiden auf die Polarität ansprechenden Einrichtungen mit den anderen Enden zusammengeschaltet sind und die höhere Spannung an eine Vergleichseinrichtung (60) überführen.
27. Gemischregelsystem nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch einen ersten und zweiten Transistor (73,73) mit jeweils einer Basis und einer Emitter- und einer CoJLectorelektrode, wobei der erste Transistor

(73) mit seiner Basis mit der für die Maschxnentemperatur repräsentativen Spannung verbunden ist und mit seinem Emitter mit einer ersten Gleichspannung zur Bestimmung des Leitungspunktes des ersten Transistors und mit seinem Collector mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist, und wobei der zweite Transistor (74) mit seiner Emitter-Colector-Bahn zwischen einer zweiten Gleichspannung und dem Regelventil (10) zur Unterbrechung der Auspuffgasrückführung liegt.

609852/0743