DE2639219A1

DE2639219A1 - Elektronisches regelsystem zur ueberwachung des luft/brennstoffverhaeltnisses des einer brennkraftmaschine zuzufuehrenden luft/brennstoffgemischs

Info

Publication number: DE2639219A1
Application number: DE19762639219
Authority: DE
Inventors: Makoto Anzai
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-09-01
Filing date: 1976-08-31
Publication date: 1977-03-31
Also published as: US4116170A; JPS5234318U; CA1070002A

Description

Triftstraße 4 ^ Siekerwall 7

PG23-76192 31. August 1976

Nissan Motor Company, Limited

No. 2, Takara-machi,

Kanagawa-ku, Yokohama City / Japan

Elektronisches Regelsystem zur Überwachung des Luft/Brennstoffverhältnisses des einer Brennkraftmaschine zuzuführenden Luft/Brennstoffgemischs

Gegenstand der Erfindung ist ein elektronisches Regelsystem zur Überwachung des Luft/Brennstoffverhältnisses des einer Brennkraftmaschine zuzuführenden Luft/Brennstoffgemischs, wobei ein der Konzentration eines Bestandteils in den Motorabgasen entsprechendes Signal als Grundgröße verwendet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung ein elektronisches Regelsystem nach dem Oberbegriff der Patentansprüche.

Zur optimalen Einstellung und Überwachung des Luft/Brennstoffverhältnisses eines Luft/Brennstoffgemischs bei Verbrennungsmotoren in Abhängigkeit von den verschiedenen Betriebszuständen des Motors sind bereits eine Reihe unterschiedlicher Systeme vorgeschlagen worden. Bei einem der zugrundeliegenden Verfahren wird die Konzentration einer Komponente oder eines Bestandteils in den Motorabgasen (beispielsweise CO/ CO₉, HC, NO , O₀ usw.) gemessen

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und einem geschlossenen elektronischen Regelkreis zugeführt.

Die Fig. 1 veranschaulicht in schematischer Darstellung einen ■ geschlossenen elektronischen Regelkreis herkömmlicher Bauart:

In ein vom Verbrennungsmotor 1 abführendes Abgasrohr 2 ragt !

ein Abgassensor 3 hinein, der die Konzentration einer Komponen- :

te in dem Abgas abfragt und ein entsprechendes Signal liefert.

Das Signal des Sensors 3 beaufschlagt einen Differenzsigna]- j generator 4, beispielsweise einen Differenzsignalverstärker oder | einen Komparator. Das Eingangssignal wird im Generator 4 gegen '■ ein Bezugssignal verglichen, das an einer Klemme 8 des Generators 4 zugeführt oder im Generator 4 selbst erzeugt wird. Der Generator 4 liefert ein der Differenz zwischen dem Signal vom Sensor 3 und dem Bezugssignal entsprechendes Signal. Das Differenzsignal vom Generator 4 gelangt in der nächstnachfolgenden Stufe auf einen Regelsignalgenerator 5, der im allgemeinen einen herkömmlichen P/I-Regler (Proportional/Integralregler)und einen Impulsgenerator umfaßt. Wie bekannt, dient der P/I-Regler dazu, den Wirkungsgrad des geschlossenen elektronischen Regelkreises zu verbessern oder in anderen Worten, um ein rasches Ansprechen des Regelkreises zu erleichtern. Das Signal des P/I-Reglers gelangt auf den Impulsgenerator, dessen pulsierendes Signal ein Betätigungsglied 6, beispielsweise ein elektromagnetisches Ventil, ansteuert. Damit läßt sich das Luft/Brennstoffverhältnis des dem Motor 1 zuzuführenden Luft/Brennstoffgemischs durch Überwachung und Einregulierung des Menge an Brennstoff und/oder Luft durch das Betätigungsglied 6 überwachen.

Bei dem soweit beschriebenen bekannten Regelsystem wird die Größe des Bezugssignals zunächst unter Beachtung des optimalen Luft/Brennstoffverhältnisses des dem Motor 1 zuzuführenden Gemischs bestimmt, um einen maximalen Wirkungsgrad für einen stromab vom Sensor 3 im Abgasrohr 2 liegenden katalytischen Konverter ^; 7 oder Reaktor (nicht gezeigt) zu erreichen. Wir in diesem Fall I ein katalytischer, sogenannter Dreiweg- oder Dreikomponentenkonverter verwendet, so wird das Luft/Brennstoffverhältnis in der ' Nähe des stöchiometrischen Luft/Brennstoffverhältnisses gehalten,! da der Konverter für diesen Fall den optimalen Wirkungsgrad be- '

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sitzt. Wie bekannt ist, wirkt der katalytische Konverter so, daß NO

JS*

werden.

daß NO deoxidiert und CO bzw. HC gleichzeitig beide oxidiert

JS\

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Schaltung für den Differenzsignalgenerator 4 in Fig. 1. Da der Schaltungsaufbau bekannt ist, kann auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden. Das Ausgangssignal des Sensors 3 gelangt von einer Eingangsklemme 9 aus auf den Differenzsignalgenerator 4,an dessen andere Eingangsklemme 8 das Bezugssignal liegt. Die Klemme 8 ist mit der Basis eines Transistors 20 verbunden, dessen Emitter an die Basis eines Transistors 21 angeschlossen ist, während der Kollektor auf Masse liegt. Der Emitter des Transistors 21 ist über einen geeigneten Widerstand 24 auf eine nichtgezeigte Versorgungsquelle geschaltet, die an einer Klemme 25 angeschlossen ist, während der Kollektor über eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode 26 auf Masse liegt. Die Klemme 9 ist mit der Basis eines Transistors 22 verbunden, dessen Kollektor auf Masse liegt und dessen Emitter direkt mit der Basis eines Transistors 23 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 23 ist ebenfalls über den Widerstand 24 mit der Klemme 25 verbunden und der Kollektor ist mit dem Kollektor eines Transistors 27 verbunden, dessen Emitter auf Masse liegt. Die Basis des Transistors 27 ist an einen Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor des Transistors. 21 und der Anode der Diode 26 angeschlossen. Die Transistoren 20, 21, 22 und 23 bilden einen Differenzverstärker; sie sind so ausgesucht, daß sie sich hinsichtlich ihrer wesentlichen Eigenschaf-· ten einander etwa entsprechen. Wie dargestellt, ist der Kollektor des Transistors 27 mit der Basis eines Transistors 29 ver- ■ bunden. Der Kollektor des Transistors 29 liegt auf Masse, während! der Emitter einerseits mit der Baisis eines Transistors 35 und · andererseits über einen Widerstand 28 mit der Klemme 25 verbun- !

den ist. Der Kollektor des Transistors 35 ist mit der Klemme 25 j verbunden, während sein Emitter direkt auf die Basis eines Tran- j

i sistors 36 geschaltet ist. Der Emitter des Transistors 36 liegt auf Masse, während der Kollektor mit den Basen von Transistoren 39 und 42 verbunden und außerdem über einen Widerstand 37 auf

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die Klemme 25 geschaltet ist. Die Transistoren 29, 35 und 36 dienen zur Verstärkung des Signalstroms. Der Kollektor des Transistors 39 ist mit der Klemme 25 verbunden und der Emitter | ist auf die Basis eines Transistors 40 geschaltet. j

Der Kollektor des Transistors 40 ist mit der Klemme 25 und der Emitter ist über einen Widerstand 41 mit dem Emitter eines weiteren Transistors 42 verbunden. Die Transistoren 39 und 40 bilden in der dargestellten Anordnung einen sogenannten Darlington-Verstärker. Der Kollektor des Transistors 42 liegt auf Masse. Von der Mitte des Transistors 42 führt die Ausgangsklemme 10 ab, j von der aus der Regelsignalgenerator 5 sein Ansteuersignal erhält, das der Differenz zwischen den beiden dem Generator an den Klemmen 8 bzw. 9 zugeführten Signalen entspricht.

Für einen solchen allgemein mit dem Bezugshinweis 4 gekennzeichneten Differenzsignalgenerator wird im allgemeinen nur eine einzige Gleichstromversorgungsquelle verwendet, deren Potential im dargestellten Ausführungsbeispiel mit V bezeichnet ist. Das

CC

Potential V ist so festgelegt, daß es einerseits dem Maximum

CC

des Ausgangssignals des Generators und dem Potential "Null" bei Minimum entspricht, während der halbe Wert von V so fest-

CC

gelegt ist, daß er jenem Fall entspricht, bei dem ein dem Dif- ; ferenzsignalgenerator zuzuführendes Signal gleich dem Bezugssignal ist.

Bei der Schaltung nach Fig. 2 jedoch ist das maximale Potential des Ausgangssignals nicht gleich dem Wert V , sondern entspricht

CC

lediglich dem Wert (V- 2V_ßE) und das Minimumpotential wird zu V_ßE, wobei mit V__E der Spannungsabfall zwischen der Basis und i dem Emitter von jedem der Transistoren 39, 40 und 42 bezeichnet ! ist. Wie sich aus der graphischen Darstellung der Fig. 3 ersehen läßt, ist daher die Potentialdifferenz zwischen dem Maximum und ! 1/2 V keineswegs identisch mit der Potentialdifferenz zwischen j 1/2 V und dem Minimum. Dieses Ungleichgewicht bezüglich des j halben Werts von V kann zu einem unerwünschten Phänomen in der I dem Regelsignalgenerator 5 nachfolgenden Stufe führen. Ist dem

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Differenzsignalgenerator 4 nämlich ein Integrator nachgeschaltet, der beispielsweise - wie in Fig. 4 gezeigt - aus einem Wider-

stand 5¹ und einem Kondensator 5" besteht, so sind die Lade- und j die Entladezeit für den Integrator 5 keineswegs gleich, so daß I sich in Bezug auf die Amplitude des Signals vom Sensor 3 keine genaue Regelung des Luft/Brennstoffverhältnisses des Luft/Brennstoff gemischs erreichen läßt.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde eine in Fig. 5 veranschau-j lichte Schaltung vorgeschlagen, die die erwähnte Ladezeit und die Entladezeit einander angleichen. Die Schaltung nach Fig. 5 weist ' vier Widerstände 50 bis 53 auf, die in Reihe zwischen die Gleich-r spannungsversorgung mit dem Potential V und Masse geschaltet sind und dafür sorgen, daß an den Basen von Transistoren 54 und 55 festgelegt Potentiale anliegen, so daß die Transistoren 54 bzw. 55 jeweils leitend werden, wenn das Ausgangssignal des Differenzsignalgenerators 4 niedriger bzw. höher liegt als der halbe Wert des Potentials V . Die Kollektoren der Transistoren

cc

54 bzw. 55 sind jeweils an einen variablen Widerstand 56 bzw. 57 angeschlossen, deren andere Enden zusammengeschaltet sind . Die Widerstandswerte der variablen Widerstände 56 und 57 werden so eingestellt, daß sich Gleichheit von Lade- und Entladezeit eines nachgeschalteten Kondensators 58 ergibt. An der Klemme 59 läßt sich damit ein richtig integriertes Signal abgreifen.

Die Schaltung nach Fig. 5 ist jedoch insofern unvorteilhaft, als zwei variable Widerstände sehr genau eingestellt werden müssen. Diese Schaltung eignet sich daher wenig für eine Massenherstellung.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Regelschal- ' tung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche zur überwachung des ^! Luft/BrennstoffVerhältnisses eines Luft/Brennstoffgemischs, das einer Brennkraftmaschine zugeführt wird, so zu verbessern , daß einerseits die erwähnten Ungleichmäßigkeiten im Regelsignal be- ^! seitigt sind, dies aber andererseits durch eine einfach aufgebau-j te Schaltung, die sich gut zur Großserienherstellung eignet. j

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Die Lösung dieser technischen Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß aus den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen sowie in Unteransprüchen angegeben.

Um die oben beschriebenen Schwierigkeiten zu überwinden, ist gemäß der Erfindung zwischen dem Differenzsignalgenerator 4 gemäß Fig. 2 bzw. 4 und dem Regelsignalgenerator 5 eine Klemmschaltung vorgesehen, die dafür sorgt, daß das dem Generator 5 zuzuführende Signal mit einem Maximum- bzw. Minimumpegel auftritt, die symmetrisch liegen in bezug auf den halben Potentialwert der Gleichstromversorgungsquelle.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert. Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugshinweisen gekennzeichnet. Es zeigen:

Fig. 1 das bereits erläuterte Blockschaltbild einer geschlossenen elektronischen Regelschleife zur Einregulierung und Überwachung des Luft/Brennstoffverhältnisses eines ■ Luft/Brennstoffgemisch^, das einer Brennkraftmaschine zugeführt wird;

Fig. 2 ein ebenfalls bereits erläutertes Ausführungsbeispiel ' eines herkömmlichen elektronischen Schaltkreises, der im System der Figur 1 liegt;

Fig. 3 in graphischer Darstellung den Verlauf der Ausgangs- I spannung der Schaltung nach Fig. 2 als Funktion einer | Eingangsspannung; j

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Schalt- i kreises, der in der Regelschleife nach Fig. 1 liegt;

Fig. 5 ein ebenfalls bereits erläutertes Ausführungsbeispiel

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einer herkömmlichen Schaltung in Verbindung mit dem System nach Fig. 1;

Fig. 6a bzw. 6b eine erfindungsgemäße Schaltung in Verbindung mit den zugeordneten unmittelbar anschließenden Schaltkreisen und

Fig. 7 in graphischer Darstellung den Verlauf der Ausgangsspannung der Schaltungen nach den Fig. 6a bzw. 6b als Funktion einer zugeführten Eingangsspannung. j

Bei der Schaltung nach Fig. 6a weist der Schaltungsteil 4' die erfindungsgemäßen Merkmale auf; er ist einem bereits erläuterten herkömmlichen Differenzsignalgenerator 4 nachgeschaltet. Eine nichtgezeigte Gleichspannungsquelle mit dem Abgabepotential V '

ist über eine Anschlußklemme 70 mit der Kathode einer Diode 71 verbunden. Das Potential V ' liegt niedriger als der Potential-

C* \*r

wert (V - 2V). Dieses Potential V ' läßt sich leicht durch

CC* ,OJZj C»w

Unterteilen des Potentialwerts V ^ mittels eines geeigneten

CC·

Spannungsteilers erhalten. Die Anode der Diode 71 ist über einen Widerstand 72 mit der Klemme 25 und außerdem mit einem Verbindungspunkt 75 zwischen der Anode einer Diode 73 und der Basis eines Transistors 76 verbunden. Die Kathode der Diode 73 ist einerseits mit der Ausgangsklemme 10 des Differenzsignalgenerators 4 und andererseits mit einem Ende eines Widerstands 74 verbunden, dessen anderes Ende auf Masse liegt. Der Kollektor des Transistors 76 ist direkt mit der Klemme 25 und emitterseitig über einen Widerstand 77 mit Masse verbunden. Das Ausgangssignal der Schaltung 4' ist an einer mit dem Emitter des Transistors 76 verbundenen Ausgangsklemme 78 abgreifbar.

Tritt bei diesem Schaltungsaufbau an der Klemme 10 ein Potential auf, das größer ist als der Wert V ', so wird die Diode 71

CC

leitend und die Diode 73 nichtleitend. Als Folge davon erreicht das Potential am Verbindungspunkt 75 den Wert (V ' + V_n1), wo-

CC U I

bei mit V_ß1 der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung der Diode 71 bezeichnet ist. Dies bedeutet, daß das Potential am Anschluß

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78 gleich dem Potenial V ' wird, da der Spannungsabfall zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 76 im wesentlichen gleich V₁ ist, so daß sich die Spannungsabfälle V₁ und V_ßE gegeneinander aufheben. Damit ist für das an der Klemme 78 auftretende Signal mit dem Pegel V ' das Maximum erreicht, wie aus der graphischen Darstellung von Fig. 7 ersichtlich ist.

Sinkt das Potential an der Klemme 10 dagegen unter V ' ab, so

CC

wird jetzt die Diode 73 leitend und die Diode 71 nichtleitend. i Das Potential am Verbindungspunkt 75 entspricht damit dem Poten- : tial an der Klemme 10 plus einem Wert V-, wobei mit V_Q2 der ■ Spannungsabfall über die Diode 73 in Durchlaßrichtung bezeichnet ist. Das Potential an der Klemme 78 ist damit gleich dem Potential an der Klemme 10, da der Spannungsabfall zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 76 (V_R„) im wesentlichen gleich dem Spannungsabfall V_D2 ist, so daß sich V_D2 und V_ßE gegeneinander aufheben.

Der Zweck des Widerstands 74 in der Schaltung nach Fig. 6a ist es, den Minimumwert des Signals an der Klemme 78 auf etwa Null abzusenken. Aus diesem Grund wird der Widerstandswert des Widerstands 74 wesentlich kleiner gewählt als der des Widerstands 72 (beispielsweise im Verhältnis 1:100) und auch kleiner als der : Impedanzwert des Transistors 4O₁.wenn dieser gesperrt ist.

Ist der Widerstand 74 nicht vorhanden, so liegt der Minimumwert des an der Klemme 78 abgreifbaren Signals bei etwa V_Rp,. Dies ist deshalb so, daß bei durchgeschalteter Diode 73 (d.h. wenn das Potential an der Klemme 10 unter V ' liegt) ein Strom über den :

cc ,

Widerstand 72, die Diode 73 und den Transistor 42 fließt mit der Folge, daß das Potential an der Klemme 10 bei etwa V_.„ stehen bleibt.

Die Fig. 7 verdeutlicht den Verlauf des Potentials an der Klemme : 78 als Funktion des Potentials des Signals vom Sensor 3. Ersichtlicherweise liegt das Maximumpotential bei V ' und das Minimum liegt praktisch bei Null; Maximum- und Minimumpegel sind symme-

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- jr -ΑΛ
trisch in bezug auf den halben Potenialwert 1/2 V '.

CC

Aufgrund des beschriebenen Aufbaus der Schaltung 4' nach Fig. 6a läßt sich die Integrationsschaltung 5 nach Fig. 4 gut und zuverlässig ansteuern, ohne nachteiligen Einfluß auf das präzise Betriebsverhalten des geschlossenen elektronischen Regelsystems der hier beschriebenen Art.

Bei der Schaltung nach Fig. 6b ist der Transistor 76 aus Fig. 6a durch eine Diode 80 ersetzt.

Aus der obigen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist ersichtlich, daß dem Regelsignalgenerator 5 ein Signal zugeführt wird, dessen Maximum- und Minimumwerte genau symmetrisch liegen in bezug auf den halben Wert des Potentials der Gleichstromversorgungsquelle für die Klemmschaltung. Als Regelsignalgenerator 5 läßt sich also ein einfacher Schaltungsaufbau vorsehen und insgesamt läßtr.sich das Regelsystem wesentlich besser auf eine Serienfertigung hin auslegen.

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Leerseite

Claims

2539219 Nissan Motor Company, Limited PG23-76192 Patentansprüche

1.:Elektronisches Regelsystem zur Überwachung des Luft/Brennstoffverhältnisses des einer Brennkraftmaschine zuzuführenden ' Luft/Brennstoffgemischs mit folgenden Baugruppen: Einem Abgassensor, der ein einem Abgasbestandteil entsprechendes elektrisches Signal erzeugt,

einem mit dem Abgassensor verbundenen Differenzsignalgenerator, der ein der Differenz zwischen dem Sensorsignal und einem Bezugssignal entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, einem dem Differenzsignalgenerator nachgeschalteten Regelsignalgenerator, der ein nachfolgendes, mit der Brennkraftmaschine verbundenes Betätigungsglied in Abhängigkeit von dem Differenzsignal zur Einstellung eines optimalen Luft/Brennstoff Verhältnisses des Gemischs ansteuert, dadurch gekennzeichnet , daß zur Festhaltung des vom Differenzsignalgenerator (4) abgegebenen Signals zwischen den Differenzsignalgenerator (4). und den Regelsignalgenerator eine Klemmschaltung (4¹) geschaltet ist, der eine Gleichstromquelle zugeordnet ist, deren Potential (+V ') niedriger ist als das Potential (+V ) der Versorgungsquelle für den Differenzsignalgenerator (4), und daß das Signalpotenial der Klemmschaltung (4¹) im wesentlichen im Bereich zwischen dem Potential der Gleichstromquelle und Null-Potential schwankt und der Mittelwert dieses Signals im wesentlichen mit dem Fall übereinstimmt, bei dem das vom Abgassensor (3) abgegebene· Signal gleich dem Bezugssignal ist.

2. Regelsystem nach Anspruch 1,dadurch gekenn- j zeichnet , daß die Klemmschaltung (4¹) folgende Bau- j teile aufweist: i

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Eine erste Diode (71), deren Kathode mit der Gleichstromquelle (+V ') verbunden ist;

eine zweite Diode (73), die kathodenseitig an den Ausgang des Differenzsignalgenerators und anodenseitig an die Anode der ersten Diode (71) und über einen ersten Widerstand (72) an die Versorgungsquelle (+V) angeschlossen ist; einen zwischen der Kathode der zweiten Diode (73) und Masse liegenden zweiten Widerstand (74) , dessen Widerstandswert wesentlich kleiner ist als der des ersten Widerstands (72); einen Transistor (76), dessen Basis mit der Anode der zweiten Diode, dessen Kollektor mit der Versorgungsquelle (+V )

und dessen Emitter mit Masse verbunden sind und eine am Emitter des Transistors (76) angeschlossene Ausgangsklemme (78) .

3. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmschaltung 4' folgende Bauteile aufweist:

eine zweite Diode (73), die kathodenseitig an den Ausgang des Differenzsignalgenerators und anodenseitig an die Anode der ersten Diode (71) und über einen ersten Widerstand (72) an die Versorgungsquelle (+V) angeschlossen ist;

OO

einen zwischen der Kathode der zweiten Diode (73) und Masse liegenden zweiten Widerstand (74) , dessen Widerstandswert wesentlich kleiner ist als der des ersten Widerstands (72); eine dritte Diode (80), die anodenseitig mit der Anode der zweiten Diode (73) verbunden ist und kathodenseitig über einen dritten Widerstand (77) auf Masse liegt und eine mit der Kathode der dritten Diode (80) verbundene Ausgangsklemme (78).

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