DE2644613C3 - Steuerungssystem für das Luft/Kraftstoffverhältnis bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerungssysi.im für das Luft/Kraftstoffverhältnis bei einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In diesem Steuerungssystem werden sogenannte Gleichdruckvergaser verwendet wie sie aus dem Buch von Pierburg »Vergaser für Kraftfahrzeugmotoren«, VDI-Verlag.4. Auflage 1970, S. 67 ff bekannt sind. Diese Vergaser erzeugen an sich unabhängig vom Luftdurchsatz ein gleichbleibendes Luft/Kraftstoffverhältnis. Mit Hilfe einer Nebenluftleitung und einer darin angeordneten Drosseleinnchtung läßt sich das dem Luft/Kraft-Stoffverhältnis in der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisch von außen beeinflussen.

Aus der DE OS 22 16 705 ist ein Steuerungssystem für das Luft/Kraftstoffverhältnis bei einer mit /wei Kraftstoffzuführungseinrichtungen ausgestatteten

Brennkraftmaschine mit Sauerstoffsensor im Abgasleitungssystem bekannt, bei der das Ausgangssignal dieses Sensors in einer Steuereinheit mit einem vorgegebenen Sollwert zur Erzeugung von Stellbefehlen zur Veränderung des Luft/Kraftstoffverhältnisses verglichen wird. Die Kraftstoffzuführungseinrichtungen sind hier nicht Gleichdruckvergaser, sondern Einspritzdüsen im Ansaugluftkanal. Dieses Steuerungssystem arbeitet in der Weise, daß mit Hilfe der einen Einspritzeinrichtung ein fettes Luft/Kraftstoffverhältnis erzeugt wird, d.h. die davon versorgten Zylinder der mehrzylindrigen Maschine arbeiten mit relativ fettem Gemisch, während mit Hilfe der anderen Einspritzeinrichtung ein mageres Luft/Kraftstoffverhältnis erzeugt wird, so daß die so versorgten Zylinder mit relativ magerem Gemisch betrieben werden. Die letztgenannten Zylinder führen dem Abgasleitungssystem die benötigte Zusatzluft zu. Man erspart dadurch eine Nebenluftleitung mit Sekundärluftpumpe. Mit Hilfe des Steuerun^systems läßt sich die Menge des eingespritzten Kraftstoffes beeinflussen, und zwar über die Einspritzzeit Es ist hierdurch möglich, im Ein-Aus-Betrieb, d.h. mit Digitalsteuerung, zu arbeiten.

Mit Hilfe der bekannten Anordnung mag das angegebene Ziel einer Entgiftung der Abgase der

η Brennkraftmaschine erreichbar sein, nachteilig ist indessen, daß den Zylindern der Brennkraftmaschine keine für die Erzielung maximaler Leistung optimale Gemisch-Zusammensetzung angeboten wird. Weiterhin ist nachteilig, daß die Steuerungseinrichtung die Gesamtmenge an benötigtem Kraftstoff für jeden Betriebsfall bereitstellen muß und daher sehr genau und zeitlich exakt an den Arbeitszyklus der Maschine angepaßt arbeiten muß. Dies macht die Anordnung relativ kompliziert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerungssystem der eingangs genannten Art anzugeben, das ein gleiches Luft/Kraftstoff-Gemisch an allen Zylindern der Brennkraftmaschine gewährleistet von den Vorteilen digitaler Steuerungstechnik Gebrauch macht und einfach aufgebaut ist

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Wie bei dem vorbeschriebenen Steuerungssystem ist auch beim erfindungsgemäßen Steuerungssystem das Vorhandensein zweier Kraftstoffzuführungseinrichtungen Voraussetzung. In diesen als Gleichdruckvergaser mit Nebenluftleitung ausgebildet*, η Kraftstoffzufüh rungseinrichtungen wird jeweils ein in der Nebenluftlei tung liegendes Ventil fortlaufend geschlossen und geöffnet Durch die Veränderung des Verhältnisses zwischen öffnungs- und Schließzeit bei gleichbleibender Gesamtzeit des öffnungs- und Schließzyklus läßt sich die Nebe π luftmenge und damit die Luftzahl beeinflussen. Die Öffnungs- und Schließzeiten sind vom Maschinentakt völlig unabhängig. Dies macht die Steuerung vergleichsweise einfach. Die Steuerungseinrichtung beeinflußt auch nur einen verhältnismäßig

V) geringen Anteil der der Brennkraftmaschine insgesamt zugeführten Luftmenge.

Im Betrieb ergeben sich streng genommen Momente maximaler Nebenluftmenge. die sich mit Momenten fehlender Nebenluft abwechseln. Aus diesem Grunde ist das Ventil in der Nebenluftleitung des einen Vergasers gegenüber dem des anderen Vergasers gegenüber dem des anderen Vergasers zeitversetzt gesteuert, so daß sich eine Abflachung der Geszmtschwankungen der im Abgassystem herrschenden Luftzahl ergibt Durch

geeignet hohe Frequenz des Öffnungs und Schüeßtak tes lassen sich diese Schwankungen ebenfalls verringern. Aufgrund der Tatsache, daß diese Frequenz nicht verändert wird, läßt sich für die Erzielung des beschriebenen Zeitversatzes ein einfacher Phasenschie-

6¹; ber mit konstanter Verzögerungszeit einsetzen.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Brenn-

kraftmaschine mit einem Steuerungssystem gemäß der Erfindung;

Fig.2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, der Anordnung nach Fig. 1;

F i g. 3 ein Obersichtsbild Ober den Steuerkreis des erfindungsgemäßen Systems;

Fig.4 eine Ausführungsform eines Phasenschiebers bei der Erfindung, und

Fig.5A ui.a 5B zeigen graphische Darstellungen über die Zusammenhänge zwischen der Änderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses und den Impulsen, die die elektromagnetischen Ventile bei der Erfindung steuern, und zwar für verschiedene Phasenbeziehungen zwischen den beiden Ventilen zugeführten Steuerimpulse.

In F i g. 1 ist mit 1 eine Abgasleitung bezeichnet, 2 ist ein katalytischer Dreifach-Konverter, 3 ist eine Brennkraftmaschine, 4 die von den Zylindern zum Konverter führende Abgasleitung, 9 ein Luftfilter, 10 eine Ansaugleitung und U eine Drosselklappe. Alle diese Teile sind für sich bekannt, weshalb eine nähere Erläuterung nicht erforderlich ist

Der Vergaser, ein Gleichdruckvergaser mit Neben· luftleitung, soll unter Bezugnahme auf Fig.2 kurz erläutert werden. Unter einem Saugkolben 19, der im Inneren einer Feder 20 gleitend beweglich ist, ist ein Venturirohr 42 ausgebildet Der Saugkolben 19 ist mit einem Entlüftungskanal 23 versehen, durch weichen ein Venturi-Unterdruck der Unterdruckkammer 28 zugeführt werden kann.

Der Saugkolben 19 ist mit einer spitz zulaufenden Düsennadel 18 versehen, die in eine Schwimmerkammer 22 hineinragt, die Kraftstoff enthält Ein Nadelsitz 14 im Vergasergehäuse 13 bildet eine HauptstrahJdüse 14' aus. Ein Brückenteil 26 ragt leicht in das Venturirohr 42 hinein und bildet eine Hauptdüsenöffnung 43 aus.

Im Vergasergehäuse 13 ist eine Nebenluftleitung 17 ausgebildet, die in den Düsenteil oberhalb der Hauptstrahldüse 14' mündet Das andere Ende 16 der Nebenluftleitung 17 mündet in das Ansaugrohr 31 oberhalb der Hauptdüse 43.

Zwischen der Hauptstrahldüse 14' und der Hauptdüse 43 ist eine Nebenluftkammer 25 ausgebildet, in welcher der von der Hauptstrahldüse 14' aus der Schwimmerkammer 21 her geförderte Kraftstoff mit Luft versetzt wird, um das Luft-Kraftstoffverhältnis des Gemischs zu beeinflussen

In der Nebenluftleitung 17 ist ein elektromagnetisch betätigbares Ventil angeordnet, das bei der einen, hier vollständig dargestellten Vergasereinheit das Bezugszeichen 8a trägt, wänrend es bei der anderen Vergasereinheit, von der hier nur dieses Ventil dargestellt ist, das Bezugszeichen Sb trägt. Diese elektromagnetisch betätigbaren Ventile 8a bzw. Sb sind über eine Steuereinheit, beispielsweise einen Rechner 7, mit dem Sauerstoffsensor 5. einer sogenannten A Sonde, verbunden, der von bekannter Art ist und in der Abgasleitung 4 angeordnet ist Der Sauerstoffsensor S stellt die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas fest und liefert ein entsprechendes Signal zum Rechner 7. Mit 6 ist eine Stromquelle, beispielsweise die Fahrzeugbatterie, bezeichnet Der Rechner 7 liefert einen Impuls an die elektromagnetisch betätigbaren Ventile 8a bzw. •fr, um diese zu öffnen oder zu schließen, um die Menge der Nebenluft zu regulieren.

Die Betriebsweise des vorbeschriebenen Steuerungssystems soll nachfolgend im Detail erläutert werden.

Der beschriebene Oieichd ruck vergaser arbeitet in bekannter Weise, so daß unabhängig von der durch die Venturidüse 42 strömenden Luftmenge die Luftgeschwindigkeit in der Venturidüse konstant gehalten wird, wodurch der Brennkraftmaschine ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis zugeführt wird, das nahe am vorbestimmten Wert liegt

Zusätzlich ist eine Nebenluftleitung 17 vorgesehen, die sich in die Hauptdüse hinein öffnet Die Menge der durch diese Nebenluftleitung 17 zugeführten Nebenluft wird durch das zugehörige elektromagnetisch betätigbare Ventil 8a bzw. 86 geregelt Der Sauerstoffsensor 5, der in der Abgasleitung 4 angeordnet ist, stellt die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas fest und liefert ein entsprechendes Signal an den Rech.ier 7, der den Meßwert aus der Sauerstoffkonzentration mit einem vorgegebenen Wert vergleicht Das elektromagnetisch betätigbare Ventil 8a bzw. Sb wird so betätigt, daß es sich wiederholt öffnet und schließt, und zwar mit einer konstanten Frequenz, die von einem nicht gezeigten Oszillator erzeugt wird. Wenn ein Unterschied zwischen dem vorgegebenen Wert und de^r Meßwert auftritt, dann wird das !mpuisverhälinis verändert, & h. bei gleichbleibender Gesamtzeitdauer von Öffnungsze·· und Schließzeit werden Öffnungszeit und Schließzeit verändert Dies wirkt sich auf die Menge der durch die Neben'uftleitung 17 strömenden Nebenluft entsprechend aus. Die Menge der Nebenluft, die dem in die Hauptdüse angesaugten Kraftstoff beigegeben wird, nimmt somit Einfluß auf das Luft-Kraftstoffverhältms des dem Motor zugeführten Gemiochs. Wenn die Sauerstoffkonzentration, die vom Sauerstoffsensor 5 gemessen wird, ansteigt, dann wird die Nebenluftmenge, die durch die Nebenluftleitung 17 fließt, verringert und umgekehrt

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die beiden Vergasereiniieiten des Doppelvergasers jedoch nicht gleichzeitig in identischer Weise betrieben, vielmehr ist eine Phasendifferenz, von beispielsweise 180° zwischen den beiden elektromagnetisch beatigba ren Ventilen 8a und Sb an den Vergasereinheiten 40a und 406 vorgesehen, d. h„ die Öffnungsimpulse am einen V.ntil 8a eilen zeitlich den Öffnungsimpulsen am anderen Ventil Sb um eine halbe Periodendauer vor, wobei unter Periodendauer die Gesanitdauer von Öffnungszeit und Schließzeit zu verstehen ist Die Nebenluftzuführung in der einen Vcigasereiriheit isi dementsprechend gegenüber der Nebenluftzuführung in der anderen Vergasereinheit um vine entsprechende Zeitspanne jeweils verschoben. Um diesen Phasenunterschied zu erzeugen, ist in der Verbindung zwischen

so dem Rechner 7 und dem einer, der elektromagnet!>ch betätigbaren Ventile, hier dem Venti¹ ib. ein Phasen schieber 30 eingeschaltet, wie aus den F i g. 1 und 2 hen'or^eht. Die Impulse .werden sonnt dem Vennl Sb mit einer Phasenverzö^erj"/ r> penühcr dem Vrntil <*.-zugeführt. Diese Phasendifferenz kann. u.ie bereits erwähnt, beispielsweise 180'. d. h. eine Halbpcriod; betragen.

Der Einfluß dieser Phasenverschieturg in der Ventilen 8a und Sb /ugeführtcn .Steuerimpulsen soll nachfolgend unter Bezugnahme· auf die Fig. 3 und 4 erläutert werden.

Wie schematisch in F i g. 3 gezeigt ist, v/ird ein Signa! von einem einzigen Sauerstoffsensor 5 einer Steuereinheit, wie beispielsweise einem Rechner 7, zugeführt, in welchem der Meßwert des Sensors 5. d. h. die vcn ihm gelieferte Ausgangsspannung mit einem vorgegebenen Wert, beispielsweise einer Vergleichsspannung verglichen wird. Der Rechner 7 liefert daraus abgeleitete

Impulse direkt an das elektromagnetisch bctätigbarc Ventil 8a und außerdem zum Phasenschieber 30. Dem elektromagnetisch betätigbaren Ventil Sb werden die Impulse mit einer Zeitverzögerung gegenüber jenen zugeführt, die dem Ventil 8a zugeleitet werden.

p.ine Ausführungsform für einen Phasenschieber 30 ist in Fig.4 dargestellt, die aus zwei hintereinander angeordneten NAND-Kreisen IQ und /Cj mit einem dazwischen geschalteten Verzögerungsglied besteht. Die NAN D-Kreise sind vorzugsweise integrierte Schaltkreise. Der ganze Phasenschieber kann zu einem integrierten Schaltkreis zusammengefaßt sein. Zur einfachen Erläuterung seien die Signale für »Ein« und »Aus« mit »I« und ·0« nachfolgend bezeichnet.

Fall I: Es sei angenommen, daß dem Phasenschieber zugeführte En jangsügnal sei ->0«.

Da an den beide» Eingangsklemmen, des NAND-Gliedes /Ci eine »0« steht, ist das Ausgangssignal dieses NAND-Gliedes eine »1«. An den beiden Eingängen des nachfolgenden NAND-Gliedes steht daher eine »1«, dessen Ausgung zeigt daher eine »0«. Wenn am Eingang des Phasenschiebers 30 eine »0« steht, steht daher auch an seinem Ausgang eine »0«. Im Falle I wird das Ausgangssignal des NAND-Gliedes IQ nicht dem NAND-Glied ICi zugeführt, wenn der Kondensator C auf eine vorbestimmu; große Spannung aufgeladen ist. Das Ausgangssignal wird daher dem NAND-Glied ICi mit einer Zeitverzögerung At zugeführt, die durch die Größe des Widerstandes R iind die Kapazität des Kondensators Cbestimmt ist. Die Zeitverzögerung Al ist so (.-ingestellt, daß sie der gewünschten Phasendifferenz ertspricht. Das dem Ventil 8b zugeführte ImpulsMgiial ist daher um At gegenüber dem Impulssignal ve zögert, das dem Ventil 8a zugeführt wird.

Fall Ii: Es sei angenommen, das dem Phasenschieber /ugcführle Eingangssignal sei »Ic

Da an Heiden Eingängen des N\ND-Gliedes /Ci eine »I« steht, zeig? dessen Ausgang eine »0«. An den beiden Eingängen des NAND-Gliedes /Ci steht daher eine »0«, v. cslüilb dessen Ausgang wiederum eine »1« zeigt. Im Falle Il wird wie im Fall I das Ausgangssignal des NAND-Gliedes K] solange nicht dem NAND-Glied /C₂ zugeiuhrt. nis ι :r Kondensator C auf eine entsprechend niedrige S,>ann ir.g entladen ist. Das Ausgangssignal des NAND-gPedes /Ci wi>d somit den Eingängen des NAND-Giiedes IC2 mit einer Zeitverzögerung Az zugeführt, die durch die Größe des Widerstandes /?und die K-pazität des Kondensators C bestimmt werden kann.

Aus der obigen Erläuterung geht hervor, daß die »Ein«- und »Aus«-Signale vom Rechner 7 dem elektromagnetisch betätigbaren Ventil 8b verzögert, und zwar um At gegenüber den Signalen am elektromagnetisch b«tätigba^ren Ventil Sa zugeführt werden.

Es sei erwähnt, daß die Impulsform der Signale am Ventil 8a die gleiche ist wie am Ventil 8b, da der Sauerstoffsensor 5 und der Rechner 7 für beide Vergasereinheiten 40,a und 40b gemeinsam ist, obwohl eine Phasendifferenz zwischen ihnen existiert

Es sei nun angenommen, daß die Impulsformen der den Ventilen 8a und 81b zugeführten Impulse so sei, wie sie mit I und II in Fig.5A gezeigt sind. Die sich ergebende Änderung im Luftkraftstoffverhältnis ist dann die Summe der Änderungen, die an beiden Vergascrcinheitcn auftreten, was in Fig.5A mit IH gezeigt ist, worin d:ie strichpunktierte Linie D das gewünschte Luft-Kraftstoffverhältnis, beispielsweise ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffvcrhältnis. bedeutet. Die elektromagnetisch betätigbaren Ventile 8a und 8b sind so betrieben, daß sie sich mit konstanter Frequenz öffnen und schließen. Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis unter einem gewünschten Verhältnis liegt, wie es durch die strichpunktierte Linie D dargestellt ist, dann registriert der Sauerstoffsensor 5 eine Sauerstoffkonzentration im Abgas, die entsprechend niedriger ist und bewirkt durch ein entsprechendes Signal am Rechner 7, daß den Ventilen 8a und 8b eine Impulsfolge zugeführt wird, in der die Einschaltzeit gegenüber der Ausschaltzeit entsprechend verlängert ist, so daß der Nebenluft anteil größer wird.
Wenn dagegen das dem Motor zugeführte Gemisch

\s ein Luft-Kraftstoffverhältnis aufweist, das über dem gewünschten Verhältnis liegt, dann stellt der Sauerstoffsensor 5 eine Sauerstoffkonzentration im Abgas fest, die entsprechend höher ist. Er liefert ein entsprechendes Signal an den Rechner 7. der nun die Ausschaltzeit innerhalb der Impulsfolge vergrößert, um die Nebenluftzufuhr durch die Ventile 8a und 8b entsprechend zu verringern. Die elektromagnetisch betätigbaren Ventile 8a und 8b sind somit rhythmisch geöffnet und geschlossen, wobei das Verhältnis von Öffnungszeit zu

2s Schließzeit durch das Meßergebnis vom Sauerstoffsensor 5 bestimmt wird. Es versteht sich, daß für das Betriebsverhalten dieses Steuerungssystem eine hohe Impulsfrequenz von Vorteil ist
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wie F i g. 5B erkennen läßt, eine Zeitverzögerung der Größe At zwischen den Impulsen, die dem Ventil 8b zugeführt werden, gegenüber jenen Impulsen vorgesehen, die dem Ventil 8a zugeführt werden. Die entsprechenden Impulszüge sind in Fig.5B mit I und II eingezeichnet.

Man sieht hieraus, daß das trotz relativ großer Änderungen im Luft-Kraftstoffverhältnis an den einzelnen Vergasereinheiten sich insgesamt nur geringe Abweichungen von einem vorgegebenen Sollverhältnis ergeben, das in Fig.5B beim Kurvenzug III mit D eingezeichnet isL

In Fig. 5B ist der Impulszug II gegenüber dem Impulszug I um At zeitverzögert Das Impulsverhältnis, d. h. die binscnaitzeit gegenüber der Ausschaitzeit hangt von dem vom Sauerstoffsensor gelieferten Meßwert ab.

Bei dem Impulsverhältnis, wie es in F i g. 5B gezeigt ist, bei welchem die Einschaltzeitdauer kleiner ist als die Ausschaltzeitdauer, ergibt sich für die Änderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses, wie es in Fig.5B mit III eingezeichnet ist, eine gegenüber der in Fig.5A gezeigten die doppelte Impulsfrequenz. Wenn eines der Ventile 8a und 8b sich im Einschaltzustand befindet, ist das andere immer im Ausschaltzustand. Deshalb ist die Gesamtänderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses nicht die Summe der Änderungen an den einzelnen Vergasereinheiten, wie es etwa bei dem in Fig.5A gezeigten Zustand der Fall ist, vielmehr ist die Gesamtänderung nur so groß wie die Änderung an einem der beiden Vergasereinheiten. Dies bedeutet, daß die Gesamtänderung fan Luft-Kraftstoffverhältnis gegenüber dem Beispiel nach F i g. 5A verringert ist

Wie bereits erwähnt, wird die Zeitverzögerung At durch den Phasenschieber 30 so eingestellt, daß sie einem gewünschten Sollwert entspricht, was wiederum vom Impulsverhältnis, das von der Steuereinheit 7 eingestellt wird, abhängt

Die Erfindung hat ihr bevorzugtes Anwendungsgebiet bei einem Verbrennungsmotor, der mit einem katalytischen Dreifaeh-Konverter in der Abgasleitung

ausgerüstet ist, weil solche Konverter für optimales Arbeiten eine bestimmte und konstantzuhaltende Sauerstoffkonzentration im aufzubereitenden Abgas benötigen, was nur bei entsprechend konstantgehaltenem Luft-Kraftstoffverhältnis des angesaugten Gemischs erzielt werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Steuerungssystem für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei einer mit zwei als Gleichdruckvergaser mit Nebenluftleitung ausgebildeten Kraftstoffzuführungseinrichtungen ausgestatteten Brennkraftmaschine mit Sauerstoffsensor im Abgasleitungssystem, dessen Ausgangssignal in einer Steuereinheit mit einem vorgegebenen Sollwert zur Erzeugung von Stellbefehlen zur Veränderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in den Kraftstoffzuführungseinrichtungen verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Nebenluftleitungen (17) elektromagnetisch betätigbare Durchgangsventile (8a, Sb) angeordnet sind, daß die Durchgangsventile (8a, Sb) von der Steuereinheit (7) mit konstanter Frequenz geschlossen und geöffnet werden, wobei das öffnungs- zu Schließzeitverhältnis von der Steuereinheit (7) beeinflußbar ist, und daß ein Phasenschieber (30) vorhanden ist, der die Öffnungsund Schüeßperiode des einen Durchgangsventils (8a) gegenüber jener des anderen Ventils (Bb), vorzugsweise um eine halbe Gesamtperiodendauer, zeitlich verschiebt

2. Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (30) aus zwei, vorzugsweise integrierten, NAND-Schaltkreisen (IQ, IQ) besteht, wobei der Ausgang des einen Schaltkreises (IQ) über einen Verzögerungsglied (R, Q mit den Eingängen des anderen Schaltkreises (IQ) verbu-iden ist

3. Steuerungssystem nach Anspruch 1 oder 2 bei einer mit einem kataly'ischen Dreifach-Konverter in der Abgasleitung ausgerüste'-n Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet daß der Sauerstoffsensor (5) stromaufwärts vom Konverter (2) in der Abgasleitung (4) angeordnet ist