DE2641179A1

DE2641179A1 - Abgasreinigungsanlage an einem verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2641179A1
Application number: DE19762641179
Authority: DE
Inventors: Toshio Oda; Akira Takata; Toshio Tanahashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1976-05-18
Filing date: 1976-09-13
Publication date: 1977-12-01
Also published as: US4068472A; JPS52139820A; DE2641179C2

Description

Abgasreinigungsanlage an einem Verbrennungsmotor

Ein Katalysator, der gleichzeitig den Anteil von Schadstoffen, wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickstoffoxiden in den Abgasen eines Verbrennungsmotors herabsetzen kann, ist als Drei-¥eg-Katalysator bekanntgeworden,, Beim Arbeiten mit einem solchen Katalysator muß das Verhältnis der Luft, und zwar der im Ansaugkanal und der oberhalb des katalytischen Umsetzers im Abgaskanal vorhandenen, zum Kraftstoff, und zwar dem im Ansaugkanal und dem oberhalb des katalytisohen Umsetzers im Abgaskanal enthaltenen, so eingestellt werden, daß es so gut wie möglich dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis gleicht,

Um das oben erwähnte Luft-Kraftstoffverhältnis einzustellen, muß man zunächst einmal feststellen, ob das Luft-Kraftstoffverhältnis dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht. Hierzu ist es bekannt, die Sauerstoffkonzentration im Abgas mit Hilfe eines Sauerstoff sensors zu messen,, Wenn ein Verbindungskanal zwischen der Einlaßöffnung des Ansaugkanals und dem in der Abgasleitung vorhandenen Sauerstoffsensor vorhanden ist, durch den Luft, ein Luft-Kraftstoffgemisch oder Abgas fließt, dann ist es durch Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas mit Hilfe des Sauerstoffsensors möglich festzustellen, ob das Verhältnis der diesem Kanal zugeführten Luft zu dem diesem Kanal zugeführten Kraftstoff (nachfolgend als Luft-Kraftstoff-Gesamtverhältnis bezeichnet) gleich dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis ist« Xn Verbindung mit dem vorgenannten Gesamtverhältnis muß betont verden, daß ein Teil der vorhandenen Luft und des Kraftstoffs nicht zur Verbrennung im Zylinder des Motors beiträgt, d.h. vom vorhandenen Kraftstoff und der vorhandenen Luft wird ein Teil direkt dem Abgas zugeführt·

Bei bekannten Verfahren zum Einstellen des erwähnten Gesamtverhältnisses sieht man einen oder mehrere Sauerstoffsensoren in

709848/067 3

der Abgasleitung des Verbrennungsmotors vor. Mit Hilfe der von diesen gewonnenen Meßwertes wird der Luftanteil und/oder der Kraftstoffanteil im dem Motor zugeführten Gemisch so eingestellt, daß es dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis entspricht. Obgleich diese Regelung über einen großen Bereich der Betriebsbedingungen des Motors befriedigende Verhältnisse bringt, ist sie doch unter manchen Betriebsbedingungen des Motors nur ungenügend. Beispielsweise ist eine Regelung beim abrupten Beschleunigen oder plötzlichen Abbremsen und beim manuellen oder automatischen Gangwechsel nicht möglich. Dies rührt daher, daß am Säuerstoffsensor und dem daran angeschlossenen Regelkreis eine gewisse Verzögerung auftritt und zwischen dem Sauerstoffsensor und dem Stellglied zum Einstellen des Luft-Kraftstoffverhältnisses ein verhältnismäßig großer Abstand vorhanden ist. Wenn der Anteil der Luft, der von der Einlaßöffnung des Ansaugkanals in diesen eingeführt wird, als Folge einer der zuvor genannten Betriebsbedingungen abrupt geändert wird, dann kann der Regelkreis dieser Änderung nicht sofort folgen. Daher ist in diesem Moment das Luft-Kraftstoffverhältnis des dem Motor zugeführten Gemisches nicht richtig eingestellt. Unter den genannten Betriebsbedingungen wird an den Wänden der Ansaugkanäle niedergeschlagener flüssiger Kraftstoff sofort verdampft. Als Folge davon wird das Luft-Kraftstoff verhältnis des den Zylindern des Motors zugeführten Gemisches sehr viel kleiner als das stöchiometrische Verhältnis und daher wird auch das Luft-Kraftstoff-Gesamtverhältnis sehr viel kleiner als das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis· Die Reinigungseigenschaften des Drei-Weg-Katalysators werden daher erheblich herabgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Nachteil zu vermeiden«

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst, Weiterbildungen der Erfindung und vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche₀

709848/0673

2641

Die Erfindung und vorteilhafte Ausfuhrungsformen derselben sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Übersicht über eine Abgasreinigungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2a eine graphische Darstellung des Verlaufes des Luft-Kraftstoff -Gesamtverhältnisses beim Fahren mit einem gewöhnlichen Kraftfahrzeug;

Fig. 2b eine der Figo 2a entsprechende Darstellung beim Fahren mit einem mit der Erfindung ausgerüsteten Kraftfahrzeug;

Figo 2c eine für die beiden vorgenannten geltende Geschwindigkeits-Zeitkurve;

Fig. 3 der Verlauf der Spannungen an den Punkten a bis d in Fig. 1;

Fig. h den Verlauf der Ausgangsspannung eines Sauerstoffsensors, und

5 eine graphische Darstellung der Spannungen an den Punkten e und f in Figo 1 ο

In Figo 1 sind dargestellt ein Motorblock 1₈ eine Ansaugleitung Z₉ ein Vergaser 3» eine Drosselklappe 4, ein Luftfilter 5» eine Abgasleitung 6 und ein katalytischer Umsetzer 7# der mit einem Drei-Weg-Katalysator gefüllt ist. In der Abgasleitung 6 ist nahe dem Motorblock 1 ein Sauerstoffsensor 8 angeordnete Der Säuerstoffsensor 8 besteht beispielsweise aus einer Zirkonerdekeramiko Fig« k zeigt den Zusammenhang zwischen der Ausgangs-

709848/0673

-9- 2641178

spannung In Millivolt des Sauerstoffsensors 8 und dem Luft-Kraftstoff -Äquivalenzverhältnis ^ _t wobei Λ definiert ist als das Verhältnis zwischen dem gerade vorhandenen Luft-Kraftstoffverhältnis zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis. Pig. h läßt erkennen, daß in der Nähe des stöchiometrischen Punktes eine plötzliche Änderung in der Ausgangsspannung des Säuerstoffsensors 8 auftritt. Der Signalausgang des Sauerstoffsensors 8 ist mit dem Eingang eines elektronischen Steuerkreises 9 verbunden.

Der Ansaugkanal 2 ist mit dem Luftfilter 5 über eine Bypass-Leitung 11 verbunden, in welcher ein Drosselventil 12 angeordnet ist, das von einem Servomotor 10 betätigt wird. Die Antriebswelle des Servomotors 10 ist mit einem Potentiometer gekuppelt, welches wiederum mit dem Ausgang des elektronischen Steuerkreises 9 verbunden ist. Im elektronischen Steuerkreis ist ein Komparator 1^₈ ein Integrierkreis 15, der mit dem Ausgang des Komparators 14 verbunden ist₉ und ein Verstärker 16, der mit dem Ausgang des Integrierkreises 15 verbunden ist, vorhanden. Der Ausgang des Verstärkers 16 ist mit dem Potentiometer 13 verbunden. Von den Eingängen des Komparators Ik ist einer mit dem Sauerstoffsensor 8 und der andere mit einer Vergleichsspannungsquelle 17 verbunden. Die Vergleichsspannung aus der Quelle 17 ist beispielsweise auf ^50 mV eingestellt.

In Figo 5 ist auf der Ordinate eine Spannung in Volt und auf der Abszisse die Zeit aufgetragen} (a) zeigt die Änderung in der Spannung am Punkt e und (b) zeigt die Änderung in der Spannung am Punkt f im elektronischen Steuerkreis 9 nach Figo 1<

Wenn das Luft-Kraftstoff-Gesamtverhältnis an dem Punkt, an welchem der Sauerstoffsensor 8 angeordnet ist, kleiner als das stöchiometrische Verhältnis wird, dann steigt die Ausgangs-

709 8 4 8/0673

214117$

Spannung des Sauerstoffsensors 8 auf eine Größe von mehr als 700 mV an, wie FIg₀ 4 zeigt. Die Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 8 ist somit größer als die Vergleichsspannung von 45O mV, so daß am Ausgang des !Comparators 14 ein Ausgangssignal K entsteht, wie in Fig. 5 mit (a) gezeigt ist. Dieses Ausgangssignal K steht so lange an, wie das Luft-Kraftstoff-Gesamtverhältnis kleiner ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis. Das Ausgangssignal K wird dem Integrierkreis I5 zugeführt und darin integriert, so daß an dessen Ausgang eine Spannung entsteht, die in Figo 5 ^mi* (b) bezeichnet ist„ Diese Spannung wird nach Verstärkung im Verstärker 16 dem Potentiometer 13 zugeführt_o Der Servomotor 10 dreht dann das Ventil in der Bypass-Leitung 11 um so viel Grad, wie dieser Spannung entspricht, wodurch sich das Drosselventil 12 öffnet und Luft durch die Bypass-Leitung 11 in den Ansaugkanal 2 fließtο Wenn dann hierdurch das Luft-Kraftstoff-Gesamtverhältnis größer wird als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, dann wird die Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 8 kleiner als 200 mV, so daß am Komparator Ik keine Ausgangsspannung mehr erzeugt wird« Danach wird die Ausgangsspannung des Integrierkreises I5 allmählich vermindert, wie in Fig· 5 mit (b) dargestellt ist und entsprechend wird das Ventil 12 in der Bypass-Leitung 11 allmählich geschlossen.

Der Vergaser 3 ist so eingestellt, daß ein fettes Luft-Kraftstoff gemisch, beispielsweise mit einem Verhältnis von 13 bis 15x1 immer erreicht wird* Daher wird bei dem Motor nach Fig. 1, wie vorher erwähnt ₉ dem vom Vergaser 3 hergestellten Luft-Kraftstoffgemisch durch Betätigung des Servomotors 10 zusätzlich Luft über die Bypass-Leitung 11 zugeführt. Das Luft-Kraftstoff -Gesamtverhältnis, d.h_e das in der vom Vergaser stammenden Mischung vorhandene Luft-Kraftstoffverhältnis wird so einreguliert, daß es so weit wie möglich dem stöchiometri-

709848/0673

sehen Luft-Kraftstoffverhältnis gleicht. Durch dieses Regelverfahren wird das Luft-Kraftstoff-Gesamtverhältnis über einen großen Betriebsbereich eines Fahrzeugs so eingestellt, daß es so weit wie möglich dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis gleicht« Wenn daher das Gaspedal abrupt durchgetreten oder entlastet wird, wie beim plötzlichen Beschleunigen oder plötzlichen Bremsen oder beim Gangwechsel, dann wird das den Zylindern des Motors zugeführte Luft-Kraftstoffgemisch sofort fetter aufgrund der Ansprechverzögerung im Regelkreis und ebenfalls aufgrund der Verdampfung von flüssigem Kraftstoff, der an den Innenwänden der Ansaugleitung 2 niedergeschlagen ist. Man sieht hieraus₉ daß der oben erwähnte Regelkreis das Luft-Kraftstoff-Gesamtverhältnis zum Zeitpunkt plötzlicher Beschleunigung oder Abbremsung und beim Gangwechsel nicht richtig einstellen kann. Dies ist in Fig* 2 dargestellt*

In Figo 2 ist in den oberen beiden graphischen Darstellungen auf der Ordinate mit a/F das Luft-Kraftstoff-Gesamtverhältnis und auf den Abszissen die Zeit eingetragen. In der unteren graphischen Darstellung von Fig. 2 ist die Fahrzeuggeschwindigkeit V über der Zeit aufgetragen« Wenn ein Fahrzeug langsam beschleunigt wird und an den Punkten A und B Gangwechsel vorgenommen werden, dann wird das Luft-Kraftstoff-Gesamtverhältnis, d.ho das Luft-Kraftstoffverhältnis des den Zylindern des Motors zugeführten Gemisches sehr viel kleiner als das stöohiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis« Die gleichen Verhältnisse herrschen auch beim plötzlichen Beschleunigen und plötzlichen Abbremsen,, Um das Luft-Kraftstoff-Gesamtverhältnis in allen Betriebsbedingungen eines Fahrzeugs richtig einzustellen, ist es notwendig, die vorerwähnten unerwünschten Erscheinungen zu unterbinden« Zu diesem Zweck ist ein Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem zweiten LuftZuführungskanal 20 in der Nähe und oberhalb des katalytischen Umsetzers 7 In der Abgasleitung ausgerüstet« Dieser

709848/0673

zweite LuftZuführungskanal 20 ist über ein elektromagnetisch, betätigtes Ventil 21 und eine Verbindungsleitung 22 an eine Luftpumpe 23 angeschlossen, die vom Motor angetrieben wird« Weiterhin sind erfindungsgemäß vorgesehen ein Schalter 24, der auf Beschleunigung und Abbremsung des Fahrzeugs anspricht, ein Schalter 25» der beim Gangwechsel anspricht, ein Steuerkreis 26 zum Betätigen des elektromagnetischen Ventils 21 und ein Sauerstoffsensor 27» der nahe und stromabwärts des katalytischen Umsetzers 7 in der Abgasleitung angeordnet ist. Der auf Beschleunigung und Abbremsung ansprechende Schalter 24 weist eine erste Unterdruckkammer 29 und eine zweite Unterdruckkammer 30 auf_s die durch eine Membran 28 voneinander getrennt sindο Weiterhin weist der Schalter 2k eine Unterdruck erzeugende Kammer 32 auf, die über eine Unterdruckleitung 31 mit dem Ansaugkanal 2 unterhalb der Drosselklappe 4 verbunden isto In der zweiten Unterdruckkammer 3° ist eine Druckfeder 33 angeordnet, die gegen die Membran 28 drückte An der Membran 28 ist ein Kontakt 34 befestigte Diesem steht ein Kontakt 35 gegenüber, der am Gehäuse der zweiten Unterdruckkammer 30 befestigt ist. Die erste Unterdruckkammer 29 ist mit der Unterdruck erzeugenden Kammer 32 durch eine enge Öffnung 36 und ein erstes Rückschlagventil 37 verbunden, das einen Durchfluß von Luft aus der Unterdruck erzeugenden Kammer 32 in die erste Unterdruckkammer 29 erlaubt. Die zweite Unterdruckkammer 30 ist mit der Unterdruck erzeugenden Kammer 32 durch eine enge Öffnung 39 und ein zweites Rückschlagventil 38 verbunden, das einen DurchfLuß von Luft aus der zweiten Unterdruckkammer 30 in die Unterdruck erzeugende Kammer 32 erlaubt.

Es sei angenommen, daß die Drosselklappe 4 geringfügig geöffnet ist und daher das Fahrzeug mit niedriger Geschwindigkeit fährt«, Der Unterdruck im Ansaugkanal 2 ist daher groß und der in der Unterdruok erzeugenden Kammer 32 und in erster und zweiter Unterdruckkammer 29 und 30 herrschende Druck ist der

709848/06 7 3

-13- 264117S

gleiche wie im Ansaugkanal 2. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Membran 28 in einer Stellung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Venn dann die Drosselklappe 4 zum Zwecke der Beschleunigung des Fahrzeugs weiter geöffnet wird, dann fällt der Unterdruck im Ansaugkanal 2 plötzlich ab, womit entsprechend der Unterdruck in der Unterdruck erzeugenden Kammer 32 ebenfalls plötzlich abfällt. In diesem Augenblick wird das erste Rückschlagventil 37 geöffnet, wodurch der Unterdruck in der ersten Unterdruckkammer 29 augenblicklich abfällt. Da andererseits das zweite Rückschlagventil 38 geschlossen bleibt, fließt die Luft aus der Unterdruck erzeugenden Kammer 32 durch die enge Öffnung 39 allmählich in die zweite Unterdruckkammer 30, wodurch der Unterdruck in letzterer allmählich abnimmt. Beim plötzlichen Öffnen der Drosselklappe k wird daher der Druck in der ersten Unterdruckkammer 29 größer als in der zweiten Unterdruckkammer 30. Die Membran 28 bewegt sich als Folge davon in Fig. 1 gegen die Kraft der Druckfeder 33 nach rechts, so daß die beiden Kontakte 3h und 35 miteinander in Berührung kommen. Da nach einer Weise der Unterdruck in der zweiten Unterdruckkammer 30 allmählich abnimmt, öffnet sich die Verbindung zwischen den Kontakten 3k und 35 wieder«. Man sieht hieraus, daß der im ganzen mit 24 bezeichnete Schalter sich beim Beschleunigen im Einschalt-Zustand befindet«,

Es sei nun angenommen, daß die Drosselklappe 4 sich in weit geöffnetem Zustand befindet und das Fahrzeug mit großer Geschwindigkeit fährt. Der Unterdruck im Ansaugkanal 2 befindet sich auf niedrigem Niveau, entsprechend gering ist auch der Unterdruck in der Unterdruck erzeugenden Kammer 32. Der Unterdruck in den Unterdruckkammern 29 und 30 ist der gleiche wie der im Ansaugkanal 2_O Die Membran 28 befindet sich in der in Figo 1 dargestellten Stellung. Wenn dann zum Abbremsen des Fahrzeugs die Drosselklappe 4 geschlossen wird, dann vergrößert sich der Unterdruck im Ansaugkanal 2 plötzlich. Ebenso plötzlich vergrößert sich der Unterdruck in der Unterdruck er-

709848/06 7 3

zeugenden Kammer 32 _o In diesem Augenblick wird das zweite Rückschlagventil 38 geöffnet, so daß sich der Unterdruck in der zweiten Unterdruckkammer 30 augenblicklich vergrößert,, Da andererseits das erste Rückschlagventil 37 geschlossen bleibt j kann die in der ersten Unterdruckkammer 29 vorhandene Luft nur allmählich in die Unterdruck erzeugende Kammer 32 durch die enge Öffnung 36 abfließen. Der Unterdruck in der ersten Unterdruckkammer 29 nimmt somit nur allmählich zu» Im Zeitpunkt des plötzlichen Schließens der Drosselklappe 4 wird daher der absolute Druck in der ersten Unterdruckkammer 29 grosser als der in der zweiten Unterdruckkammer 30„ Als Folge davon bewegt sich die Membran 28 in Figo 1 gegen die Kraft der Druckfeder 33 nach rechts, bis der Kontakt 34 mit dem Kontakt 35 in' Berührung tritt_o Naeh einer Weise, wenn der Unterdruck in der ersten Unterdruckkammer 29 größer geworden ist, öffnet sich die Verbindung zwischen den Kontakten 34 und 35 wieder. Man sieht aus der vorangegangenen Beschreibung, daß der Schalter 24 auch beim Abbremsen die Einschalt-Stellung einnimmt.

Der auf den Gangwechsel ansprechende Schalter 25 ist unter dem Kupplungspedal 40 angeordnet, so daß beim Gangwechsel_β zu dem man notwendigerweise das Kupplungspedal 40 durchtreten muß, der Schalter 25 in die Einschalt-Stellung gebracht wird.

Der Steuerkreis 26, von dem aus das Ventil 21 betätigt wird, enthält eine ODER-Schaltung 41, deren einer Eingang mit dem Schalter 24 und deren anderer Eingang mit dem Schalter 25 verbunden ist ο Weiterhin ist im Schaltkreis 26 ein Monoflop 42 angeordnet j dessen Eingang mit dem Ausgang der ODER-Sohaltung 41 verbunden ist_o Sein Ausgang ist mit dem einen Eingang einer UND-Schaltung 44 verbunden, deren anderer Eingang an den Ausgang eines !Comparators 43 angeschlossen ist» Am Ausgang der UND-Schaltung ist ein Verstärker 45 angeschlossen-, dessen Ausgang zur Magnet wicklung des Ventils 21 geführt ist«, Einer der

709848/06 7 3

£641173

Eingänge des !Comparators 43 im Schaltkreis 26 ist mit dem Säuerstoffsensor 27» der andere Eingang mit einer Vergleichsspannungequelle 46 verbundene Wenn der Säuerstoffsensor 27 aus Zirkonerde-Keramik besteht und eine Charakteristik aufweist, wie sie in Figo 4 dargestellt ist, dann liegt die Spannung der VergleichsSpannungsquelle 46 beispielsweise im Bereich von 450 mV«

In Fig. 3 ist auf den Ordinaten jeweils die Spannung V und auf den Abszissen die Zeit T aufgetragen. Fig_e 3 zeigt mit (a), (b), (c) und (d) die Spannungen an den Punkten a_p b, c und d des Ventilsteuerkreises 26 in Fig. 1.

Wenn das Kupplungspedal 40 zum Zwecke eines Gangwechsels durchgetreten wirdg dann wird der Schalter 25 in die Einschaltstellung gebracht und daher ein Impuls am Punkt a erzeugte Hierdurch wird der Monoflop 42 in seine quasi stabile Stellung, d.ho die EIN-Stellung gebracht (siehe (b) in Figo 3), da der Impuls (a) ihm als Triggersignal zugeführt ist. Die Dauer des quasi stabilen Zustandes des Monoflops 42 kann den gewünschten Verhältnissen, entsprechendjäurch Veränderung der Zeitkonstante des Monoflops 42 eingestellt werden* Wenn das Kupplungspedal 40 durchgetreten wird, dann wird das in die Zylinders des Motors eingeführte Luft-Kraftstoffgemisch fetter und dadurch wird das Luft—Kraftstoff-Gesamtverhältnis kleiner als das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis. Dies bedeutet,, daß die Menge der unverbrannten Anteile im Abgas sehr viel größer wird als der im Abgas verbliebene Sauerstoffanteil. Wenn dieses einen übermäßigen Anteil unverbrannter Komponenten enthaltende Abgas in die Abgasleitung 6 fließt_s dann diffundiert ein Teil dieses Abgases in das dort vorhandene Abgas hinein, welches im wesentlichen einen stöchiometrischen Anteil von Sauerstoff enthält, der notwendig ist, um die Oxidation der unverbrannten Komponenten zu bewirken. Dieser Teil des Abgases gelangt zum Sauerstoffsensor 27, bevor der übrige große Teil des Abgases, das den übermäßigen Anteil unverbrann-

709848/0673

-ie-

ter Komponenten enthält _g den Sauerstoffsensor 27 erreicht. Wenn letzterer Anteil des Abgases den Sauerstoffsensor 27 schließlich erreicht, dann wird am Ausgang des Komparators 43 ein Impuls erzeugt, der in Fig. 3 mit (o) gekennzeichnet ist. Da zu diesem Zeitpunkt der Monoflop 42 sich noch im EIN-Zustand befindet, wird am Ausgang der UND-Schaltung 44 ein Impuls erzeugt, der in Figo 3 mit (d) dargestellt ist₀ Dieser Impuls wird im Verstärker 45 verstärkt und dann der Magnetwicklung des Ventils 21 zugeführt_o Als Folge davon öffnet sich das Ventil 21, wodurch von der Luftpumpe 23 zusätzliche Luft in die Abgasleitung 6 gefördert wird. Wenn der Anteil unverbrannter Komponenten im Abgas kleiner wird als der Sauerstoffanteil, d.h., wenn das Luft-Kraftstoff-Gesamtverhältnis, wie es am Sauerstoffsensor 27 festgestellt wird, größer wird als das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis aufgrund der Zuführung der zusätzlichen Luft, dann wird die Ausgangsspannung am Sauerstoffsensor 27 kleiner als die Vergleichsspannung von 45O mV. Als Folge davon wird die Spannung am Punkt c zu Null«, Am Ausgang der UND-Schaltung 44 verschwindet daher das Signal, wodurch sich das elektromagnetisch betätigte Ventil 21 wieder schließt„

Das Öffnen und Schließen des Ventils 21 wird nach dem Durchtreten des Kupplungspedals nur noch vom Monoflop 42 bestimmt, auch nach dem schnellen Entlasten des Kupplungspedals 4o wird daher das am Eingang des katalytischen Umsetzers 7 gemessene Luft-Kraftstoff-Gesamtverhältnis so einreguliert, daß es stets im wesentlichen dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis entspricht, da durch die über die Leitung 20 zugeführte zusätzliche Luft eine entsprechende Einstellung möglich ist.

Die oben erwähnte Einstellung des Luft-Kraftstoff-GesamtVerhältnisses kann auch während des Besohleunigens und Abbremsens erfolgen. Wie in Fig. 2 mit (a) gezeigt, wird das Luft-Kraft-

709848/0673

Stoffverhältnis im Gemisch, das den Zylindern zugeführt wird, nach dem plötzlichen Durchtreten oder Entlasten des Gaspedals und nach dem Durchtreten des Kupplungspedals kO für eine Weile fetter. Die Länge dieser Zeitdauer, während der das Luft-Kraftstoff verhältnis fetter ist, kennt man aus der Erfahrung. Es ist daher ausreichend, wenn nur während dieser Zeitdauer über die Leitung 20 zusätzliche Luft in die Abgasleitung 6 gepumpt wird« Es ist nicht notwendig₉ über diese Zeitdauer hinaus hier zusätzliche Luft zuzuführen. Diesem Zweck dient der Monoflop 42, dessen Zeitkonstante entsprechend eingestellt ist.

Wenn beim oben erwähnten Ausführungsbeispiel das Luft-Kraftstoff-Gesamtverhältnis kleiner wird als das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis, dann wird eine Veränderung im Luft-Kraft st off -Ge samt verhältnis vom Sauerstoffsensor 27 festgestellt, wodurch das elektromagnetisch betätigte Ventil 21 sofort voll geöffnet wird. Es besteht daher die Gefahr, daß ein übermäßiger Anteil zusätzlicher Luft in die Abgasleitung geblasen wird. Um dies zu vermeiden, ist es vorteilhaft, ebenfalls einen Integrierkreis zwischen die UND-Schaltung kk und den Verstärker 4-5 einzuschalten. Ein solcher Integrierkreis muß eine steilere Anstiegscharakteristik aufweisen als die in Figo 5 niit (b) eingezeichnete β Dies kann einfach durch Änderung des Wertes eines Widerstandes R im Integrierkreis, wie beispielsweise beim Integrierkreis 15 dargestellt, erreicht werden. Man kann hierzu auch eine Kombination aus einem Servomotor und einem Potentiometer ₉ wie beim Drosselventil 12 verwenden, oder einen Impulsmotor anstelle des elektromagnetischen Ventils 21.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Zeit, die das Abgas braucht, um von der Einmündung der Leitung 20 zum Sauerstoff sensor 27 zu gelangen, sehr viel kürzer als die Zeit, die das Gas braucht, um vom Ansaugkanal 2 zum Säuerstoffsensor 8

709 8 4 8/0673

zu gelangen« Selbst wenn daher das Luft-Sauerstoffverhältnis im Gemisch, das den Zylindern zugeführt wird_p zeitweise geringer wird als das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis, wie in Fig, 2 mit (a) gezeigt, dann wird zusätzliche Luft in die Abgasleitung geblasen, wodurch das Luft-Kraftstoff-Gesamtverhältnis, das am Einlaß des katalytischen Umsetzers 7 vorhanden ist, so eingestellt, daß es im wesentlichen dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis, wie in Fig. 2 mit (b) gezeigt, entspricht. Als Folge davon läßt sich erreichen, daß der Anteil der Schadstoffe, wie Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickstoffoxide, in den Abgasen des Motors sehr verringert wird«

Die Erfindung wurde hier unter Bezugnahme auf Fig. 1 an einem Motor erläutert, der mit einem Vergaser 3 ausgerüstet ist. Die Erfindung ist aber auch anwendbar bei Motoren, die mit Flüssiggas betrieben werden. Außerdem kann als Umkehrung die Erfindung auch angewendet werden bei einem Motor, der mit einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird, wobei man dann das Abgasreinigungssystem so auslegt, daß zusätzlicher Brennstoff in die Abgasleitung anstelle von zusätzlicher Luft eingeführt wird.

709848/0 67

Claims

PATENTANWÄLTE _Q

erkörner<L Qtf

D-8 MÜNCHEN 22 · WlbENMAYERSTRASSE 48 D-1 BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 68

BERLIN: DIPL.-ΙΝβ. R. MÜLLER-BÖRNER

MÜNCHEN: DIPL.-INQ. HANS-HEINRICH WEY DIPL.-ING. EKKEHARD KÖRNER

28 kkh

TOYOTA JIDOSHA KOGYO KABUSHIKI KAISHA Aichi-ken / Japan

Ansprüche

1.J Abgasreinigungsanlage an einem Verbrennungsmotor, dem ein fettes Luft-Kraftstoffgemisch zugeführt wird und der einen katalytischen Umsetzer in der Abgasleitung aufweist, gekennzeichnet durch einen ersten Sensor (8) zum Messen der Sauerstoffkonzentration im Abgas, der stromabwärts vom katalytischen Umsetzer (7) in der Abgasleitung (6) angeordnet ist, eine Einrichtung (9,11_f12) zum Angleichen des Luft-Kraftstoffverhältnisses des fetten Gemisches an das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis, die auf das Ausgangssignal des ersten Sensors (8) anspricht, einen zweiten Sensor (27) zum Messen der Sauerstoffkonzentration im Abgas, der stromabwärts vom katalytischen Umsetzer (7) in der Abgasleitung (6) angeordnet ist, dritte Sensoren (24,25) zum Feststellen von Beschleunigung, Bremsung und Gangwechseln, die diesen Vorgängen entsprechende Ausgangs— signale erzeugen, und eine Einrichtung (20,21,22,23) zum Einführen zusätzlicher Luft in die Abgasleitung (6) stromaufwärts vom katalytischen Umsetzer (7)» mit deren Hilfe das

7 09848/06 7 3

MÜNCHEN: TELEFON (O89) 225585 BERLIN: TELEFON (O3O) 8312O88

KABEL: PROPINDUS -TELEX O5 24244 KABEL: PROPINDUS -TELEX O1 84O57

641179

Verhältnis der mit dem Gemisch mitgeführten und der zusätzlichen Luft zum im Gemisch mitgeführten Kraftstoff gleich dem stöohiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis in Abhängigkeit der vom zweiten Sensor (27) und den dritten Sensoren (24,25) gelieferten Signale einstellbar ist.

2« Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Sensor ein Sauerstoffsensor (8 bzw. 27) ist, der in Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration im wesentlichen eine von zwei unterschiedlichen Ausgangsspannungen liefert, von denen die höhere einem gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnis,das kleiner und die niedrigere einem gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnis, das größer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis ist, entspricht.

3ο Abgasreinigungsanlage nach Anspruch Z₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Angleichen des Luft-Kraftstoffverhältnisses des angesaugten Gemisches an das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältni» aus einer Luftzuführungseinrichtung (11,12) besteht, die über einen elektronischen Steuerkreis (9) vom ersten Ausgangssignal des ersten Sensors (8) beeinflußbar ist.

4. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführungseinrichtung aus einer Bypass-Luftleitung (11) mit einem darin angeordneten Drosselventil (12) besteht, dessen Öffnung von einem Servomotor (1O) mit einem daran angebrachten Potentiometer (13)| dem das Ausgangssignal des elektronischen Steuerkreises (9) zugeführt ist, beeinflußbar ist_o

5ο Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Steuerkreis (9) einen Komparator (i4) enthält, dessen Eingängen das Ausgangssignal des ersten

709848/0673

2^41179

Sensors (8) und eine Vergleichsspannung (von 17/ zugeführt ist, welcher ein Ausgangssignal nur liefert_s wenn das Sensorausgangssignal die Vergleichsspannung übersteigt und dem ein Integrierkreis (I5) nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal einem Verstärker (16) zugeführt ist.

6. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5» daduroh gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einführen zusätzlicher Luft in die Abgasleitung (6) aus einer zweiten Luftzuführungseinrichtung (20,21 ₉ 22) und einem zweiten elektronischen Steuerkreis (26) besteht, welchen das Ausgangssignal des zweiten Sensors (27) und der dritten Sensoren (24,25) zugeführt ist.

7· Abgasreinigungeanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einführen zusätzlicher Luft in die Abgasleitung (6) aus einer Luftzuführungsleitung (20) mit einem darin angeordneten elektromagnetisch betätigbaren Ventil (21) besteht_s welches von dem zweiten elektronischen Steuerkreis (26) angesteuert ist.

8, Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet ₉ daß die Luftzuführungsleitung (20) an eine vom Verbrennungsmotor (1) angetriebene Luftpumpe (23) angeschlossen ist.

9. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite elektronische Steuerkreis (26) einen Komparator (k3) enthält, dessen Eingängen das Ausgangssignal des zweiten Sensors (27) und eine Vergleichsspannung (von k6) zugeführt ist und der ein Ausgangssignal nur abgibt, wenn die Sensorausgangsspannung die Vergleichs spannung (von h6) übersteigt und welche einer UND-Sohaltung (kk) zugeführt ist₉ deren zweiter Eingang mit dem

709848/0673

Ausgang eines Monoflops (42) verbunden ist₈ das über eine ODER-Schaltung (41) von den beim Beschleunigen Abbremsen oder Gangwechseln erzeugten AusgangsSignalen der dritten Sensoren (24,25) in. den quasi stabilen Zustand kippbar ist, und daß an den Ausgang der UND-Schaltung (44) ein Verstärker (45) angeschaltet ist,

1Oo Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 99 dadurch gekennzeichnet, daß der zweite elektronische Steuerkreis (26) einen Integrierkreis (15) zwischen der UND-Schaltung (44) und dem Verstärker (45) enthält.

11, Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,, daß als dritte Sensoren zwei getrennte Sensoren vorgesehen sind_s und zwar ein solcher (24) zum Feststellen von Beschleunigungen und Bremsungen und ein solcher (25) zum Peststellen von Grangwechseln«,

12, Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 11 ₉ dadurch gekennzeichnet j daß der Sensor (24) zum Feststellen von Beschleunigungen und Bremsungen eine erste (29) und eine zweite (30) Unterdruckkammer, die durch eine Membran (28) voneinander getrennt sind, und eine dritte Unterdruckkammer (32) aufweist, die mit der ersten Unterdruckkammer (29) durch eine enge Öffnung (36) und ein sich in die erste Unterdruckkammer öffnendes Klappenventil (37) und mit der zweiten Unterdruckkammer (30) durch eine enge Öffnung (39) und ein sich in die dritte Unterdruckkammer (32) öffnendes Klappenventil (38) verbunden ist, daß an der Membran (28) ein elektrischer Kontakt (34) und diesem gegenüber an der Wandung der zweiten Unterdruckkammer (30) ein zweiter elektrischer Kontakt (35) befestigt ist, und daß die dritte Unterdruckkammer (32) mit der Ansaugleitung (2) des Verbrennungsmotors (i) in Verbindung steht.

709848/0673

13· Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zum Feststellen von Gangwechseln ein Druckschalter (25) ist, der unter dem Kupplungspedal (4o) angeordnet und bei Niedertreten desselben in die Einschaltstellung bringbar ist_o

14o Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zum Feststellen von Gangwechseln mit einem automatisch schaltenden Wechselgetriebe des Kraftfahrzeugs verbunden ist und beim Schalten desselben in die Eins ehalt st ellung bringbar ist«,

15ο Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das fette Luft-Kraftstoffgemisch von einem Vergaser (3) geliefert wird.

i6_e Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 15| dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-Kraftstoffverhältnis etwa 13»1 bis 14x1 beträgt.

17» Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 1k_t dadurch gekennzeichnet, daß das fette Luft-Kraftstoffgemisch aus Flüssiggas geliefert wird.

Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das fette Luft-Kraftstoffgemisch von einer Einspritzanlage geliefert wird.

709848/0673