DE2658617A1

DE2658617A1 - Emissionsregelvorrichtung

Info

Publication number: DE2658617A1
Application number: DE19762658617
Authority: DE
Inventors: Shigeo Aono
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-12-27
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1977-07-14
Also published as: DE2658617C2; JPS5617533B2; JPS5281438A; US4402291A; CA1106033A

Description

rFN TANWÄLTE

Nissan Motor Company, Ltd. No. 2, Takara-machi,
Kanagawa-ku, Yokohama City, JAPAN

A. GRÜNECKER

OIPL-ING.

H. KINKELDEY

W. STOCKMAIR

K. SCHUMANN

OR RER MAX- COT--PHYS.

P. H. JAKOB

DiPU-IWQ

G. BEZOLD

* OR RER NAH- DH¹L-CHEM.

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

P Ή 189

Emissionsregelvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Emissionsregelvorrichtung mit geschlossenem Regelkreis für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine, wobei das Signal der wahrgenommenen Abgaszusammensetzung zwangsweise in seiner Amplitude mit. einer !Frequenz zum Schwanken gebracht wird, die über der Schwingungsfrequenz des Regelkreises aufgrund der Eigenzeitverzögerung J liegt, so daß der größte Teil der statistischen Verteilung der Kraftstoff luftverhältnisse im engen stöchiometrischen Fenster liegt.

Bei einer Emissionsregelvorrichtung mit geschlossenem Regelkreis, bei der die Abgaszusammensetzung wahrgenommen wird, um das -Kraftstoffluftverhältnis über die wahrgenommene Konzentration der Abgas zusammensetzung zu regeln, treten unvermeidlich Regelschwingungen aufgrund der dem System eigenen ZeitverzSge-

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rung auf, die in den Zylinder zyklen enthalten ist. Als Folge dieser Schwingung neigen die Kraftstoffluftverhältnisse dazu, stark von dem gewünschten Wert, d.h. dem stochiometrischen Wert, abzuweichen und kann sich die Zeitdauer ausdehnen, während der das Gemisch außerhalb des stochiometrischen Fensters liegt. Bei einer statistischen Analyse, bei der Stichproben der Kraftstoffluftverhältnisse genommen und ihre Häufigkeit graphisch aufgetragen wird, bilden die Probewerte eine Häufigkeitsverteilung über einen breiten Gemischbereich. Vom Standpunkt der Emissionsregelung aus ist es wünschenswert, daß die Häufigkeitsverteilung der Stichprobenwerte innerhalb eines engen stochiometrischen Fensters liegt, da die schädlichen Bestandteile (NOx, Kohlenwasserstoffe und CO) mit dem maximalen Wirkungsgrad gleichzeitig chemisch zu unschädlichen Stoffen umgewandelt werden, wenn das Gemisch auf einen Wert in der Nähe des stochiometrischen Wertes geregelt ist.

Ziel der Erfindung ist eine Emissionsregelvorrichtung für Brennkraftmaschinen, bei der die Kraftstoffluftverhältnisse innerhalb eines engen stochiometrischen Fensters bei jedem Betriebszustand der Maschine geregelt werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine Emissionsregelvorrichtung, bei der die Konzentration eines Abgasbestandteils wahrgenommen wird, um ein Regelsignal zu erzeugen, das das Ausmaß der Abweichung von einem bestimmten Sollwert wiedergibt, und bei der ein bipolares Signal dazu verwandt wird, die Amplitude des Regelsignals zu modulieren, so daß sie mit einer höheren Frequenz als der Frequenz der Regel schwingungen schwankt oder schwingt.

Das modulierte Regelsignal wird dazu gebracht, innerhalb einer Periode der Regelschwingung mehrmals durch den Nullspannungspegel zu gehen. Das Ergebnis ist eine wahrgenommene Konzentration mit einem Wert, der dem stochiometrischen Wert nahekommt. Erfindungsgemäß ist ein einziger Sensor für die Abgaszusammensetzung für eine Vielzahl von Abgasleitungssystemen der Maschine vorge-

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sehen, so daß die wahrgenommene Abgaskonzentration einen zu einem gegebenen Zeitpunkt kombinierten Wert der Mischverhältnisse der Zylinder und nicht das Mischverhältnis eines bestimmten Zylinders wiedergibt. Das führt zu einem Ausgangssignal vom Abgassensor, das nicht scharf auf eine schnelle Änderung der Amplitude des Eegelsignals anspricht. Durch die hochfrequente SchwWkung des Eegelsignals nimmt die wahrgenommene Abgaskonzentration im wesentlichen einen mittleren Wert der Kraftstoffluftverhältnisse der Zylinder zu einem gegebenen Zeitpunkt an. Dieser Mittlungseffekt neigt dazu, eine zu große Anreicherung oder Verarmung der Kraftstoffluftverhältnisse selbst dann zu vermeiden, wenn die Maschine einer plötzlichen Laständerung unterliegt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist daher eine Emissionsregelvorrichtung für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit einem einzigen Sensor für die Abgaszusammensetzung, der für die Abgasleitungssysteme gemeinsam ist, wobei der Mittlungseffekt des Sensors dazu benutzt wird, die Kraftstoffluftverhältnisse im engen stöchiometrischen Fenster zu konzentrieren.

Durch die Erfindung soll weiterhin vermieden werden, daß die Kraftstoffluftverhältnisse bei Lastübergangsbetriebszuständen der Maschine zu reich oder zu arm werden.

Ziel der Erfindung ist auch eine Herabsetzung der Menge der schädlichen Emissionsbestandteile bei den verschiedenen Betriebszuständen der Maschine.

Ein weiterer Einflußfaktor auf die Konzentration der gemessenen Kraftstoffluftverhältnisse innerhalb des gewünschten Bereiches ist eine Regelschaltung, die sowohl eine Proportionalverstärkung als auch eine Integration eines Signals liefert, das die gemessene Konzentration der Abgaszusammensetzung wiedergibt. Die Stichprobenregel signale bilden eine Verteilung, deren Scheitelwert am stöchiometrischen Wert liegt, was seinerseits bewirkt, daß viele der Stichprobenwerte des Kraftstoffluftverhältnisses inner-

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halb des stöchiometrischen Fensters konzentriert sind, wenn die Regelschaltung kombiniert mit der oben beschriebenen Modulationsmethode verwandt wird.

Ziel der Erfindung ist daher auch eine Emissionsrege!vorrichtung mit einer Proportional- und Integralregelung der wahrgenommenen Abgaszusammensetzung in einer Kombination mit dem modulierten Regelsignal.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert;

Figur 1 zeigt das schematische Schaltbild eines Ausfiihrungsbeispiels der Erfindung.

Figur 2 zeigt in einer graphischen Darstellung die Wellenformen der verschiedenen, in der Schaltung von Figur 1 auftretenden Signale.

Figur 3 zeigt in einer statistischen Analyse die Häufigkeitsverteilungen der Regelsignale und Kraftstoffluftverhältnisse und die dazwischen bestehende Beziehung.

Figur 4 zeigt eine Abwandlung des in Figur 1 dargestellten Aus-■ führungsbeispiels.

Das in Figur 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Emissionsregelvorrichtung für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine weist einen Abgassensor 10 auf, der im Abgaskanal der Brennkraftmaschine 11 angeordnet ist, um die Konzentration eines Bestandteils des Abgases, beispielsweise des Sauerstoffs, in den Emissionen zu bestimmen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das in der Nähe des stöchiometrischen Wertes des Kraftstoffluftverhältnisses eine scharfe charakteristische Änderung in der Amplitude zeigt. Eine derartige Ausgangskennlinie

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zeigt ein herkömmlicher Zirkonsauerstoffsensor, dessen Ausgangssignal bei Kraftstoffluftverhältnissen unter dem stöchiometrischen Wert, d.h. bei reicheren Gemischen eine hohe Amplitude und bei Kraftstoffluftverhältnissen über dem stöchiometrischen Wert, d.h. bei ärmeren Gemischen eine niedrige Amplitude zeigt.

Der Ausgang des Abgassensors 10 liegt an einem Komparator 12, um das Ausgangssignal mit einer Bezugs spannung zu vergleichen und dadurch ein positives oder negatives Spannungsausgangssignal zu liefern, was davon abhängt, ob die wahrgenommene Sauerstoffkonzentration über oder unter einem bestimmten Kraftstoffluftverhältnis liegt, das durch die Bezugsspannung wiedergegeben wird. Dieses bestimmte Kraftstoffluftverhältnis kann beispielsweise der stöchiometrische Wert sein, wenn der katalytisch^ Wandler so abgestimmt ist, daß er eine gleichzeitige Reduktion der Schadstoffe (KOx, Kohlenwasserstoffe und CO) liefert.

Das Aus gangs signal des Komparators. liegt an einer Regelschaltung 13» die vorzugsweise einen Proportionalregler 14- und einen Integralregler 15 umfaßt. Der Proportionalregler 14 kann ein Gleichstromverstärker sein, der eine proportionale Verstärkung des anliegenden Eingangssignals liefert. Der Integralregler 15 bewirkt eine lineare Integration des anliegenden Eingangssignals. Die Ausgangssignale der Regler 14 und 15 treffen an einem Summierungspunkt 16 zusammen, an dem die beiden Eingangssignale in der Amplitude aufaddiert werden, wie es in Figur 2a dargestellt ist. In Figur 2a ist das integrierte Ausgangssignal vom Integralregler 15 durch die schräg verlaufenden Abschnitte 20 dargestellt, deren Steigung durch den Integrationsfaktor des Reglers 15 und deren Richtung durch die Spannungspolarität des Ausgangssignals vom Komparator 12 in Abhängigkeit davon bestimmt ist, ob die wahrgenommene Sauerstoffkonzentration über oder unter dem Bezugssollwert liegt, auf den das Kraftstoffluftverhältnis geregelt wird. Die in der in Figur 2a dargestellten Wellenform aufgrund der linearen Verstärkung des Eingangssignals auftretenden Spannungsunstetigkeiten 21 und die Richtung der Änderung der Spannung

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Λ-

bei jeder Unstetigkeit hängt von der Polarität des Ausgangssignals vom Komparator 12 ab. Das kombinierte Ausgangs signal am Summierungspunkt 16 schwankt somit zwischen Werten oberhalb und unterhalb des Sollpegels 22.

Das kombinierte Ausgangssignal liegt an einem zweiten Summierungspunkt 17» an dem gleichfalls eine Kette bipolarer Impulse liegt, die von einem Impulsgenerator 18 oder einem Zittersignalgenerator geliefert wird. Die Wellenform der vom Generator 18 gelieferten Impulse ist in Form von Rechteckimpulsen 23 mit entgegengesetzten Polaritäten in Figur 2b dargestellt. Die Summierung am Punkt 17 führt zu einer Wellenform, wie sie in Figur 2c dargestellt ist, bei der deutlich erkennbar ist, daß die Spannung des kombinierten Signals 25 so oft durch den Sollpegel 22 geht, wie die Rechteckzitterimpulse 23 durch den Hullspannungspegel 24 gehen. Das Ausgangssignal vom Summierungspunkt 17 liegt an einer Kraftstoff und Luft mischenden und proportionierenden Einrichtung 19·

Das hat zur Folge, daß bewirkt wird, daß das Kraftstoffluftgemischverhältnis variiert, um einen Wert oberhalb oder unterhalb des Bezugspegels oder stochiometrischen Wertes einzunehmen, d.h., daß das Kraftstoffluftgemischverhältnis den Sollpegel viel öfter schneidet, wie es durch Kreise 26 in Figur 2d dargestellt ist, als es sonst diesen Pegel schneiden würde, wenn es durch ein Signal mit der in Figur 2a dargestellten Wellenform geregelt würde«

Da nur ein einziger Abgassensor für eine Anzahl von Abgasleitungssystemen der Zylinder vorgesehen ist, gibt die Sauerstoffkonzentration einen Mittelwert der Konzentrationen wieder, die. die verschiedenen Stufen des Kolbenhubes der Zylinder zu einem gegebenen Zeitpunkt wiederspiegeln. Dieser Mittlungseffekt wird deutlicher ausgeprägt, wenn die Schwankungsfrequenz ansteigt und die resultierende Sauerstoffkonzentration folgt einer Kurve, die der Ausgangskennlinie eines Tiefpaßfilters ähnelt, bei dem die hoherfrequenten Anteile eines anliegenden Eingangssignals stärker als die

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niederfrequenten Anteile gedämpft werden. Der Mittlungseffekt dieses Ausführungsbeispiels dient somit dazu, eine zu starke Anreicherung oder Verarmung des Kraftstoffluftverhältnisses bzw. der Abgaszusammensetzung zu verhindern.

Eine statistische Analyse zeigt, daß die Stichprobenwerte der wahrgenommenen Sauerstoffkonzentration eine derartige Häufigkeitsverteilung zeigen, daß der größere Teil der Grundgesamtkeit der Stichprobenwerte in ein schmales Fenster des stöchiometrischen Wertes fällt.

Das pulsierende Zittersignal kann eine Wellenform eines bipolaren Sägezahns oder eine sinusförmige Wechselwellenform haben, solange der Mittelwert des bipolaren Wertes im wesentlichen gleich Null ist.

Ein katalytischer Wandler 20 ist im Abgaskanal der Maschine 11 stromabwärts vom Sensor 10 für die Abgaszusammensetzung angeordnet. Der katalytische Wandler 20 ist vorzugsweise ein Katalysator mit dreifacher Wirkung, der eine gleichzeitige Reduktion der schädlichen Bestandteile NOx, Kohlenwasserstoffe und Co liefert, wenn das Gemisch auf dem gewünschten Sollwert geregelt wird.

Die Konzentration der Stichprobenwerte der Kraftstoffluftverhältnisse innerhalb des stöchiometrischen Fensters wird durch die parallele Verwendung von Proportional- und Integralreglern erhöht. Im folgenden wird der Proportionalregler unter der Annahme betrachtet, daß kein Integralregler vorgesehen ist. Da der Proportionalregler eine Proportionalverstärkung eines Signales liefert, das die wahrgenommene Sauerstoffkonzentration oberhalb oder unterhalb des stöchiometrischen Wertes wiedergibt, wird das Ausgangssignal einer Rechteckwellenform haben. Das heißt, daß das Signal in Abhängigkeit vom anliegenden Eingangssignal auf zwei diskreten Werten liegt. Das stichprobenweise genommene Regelsignal liegt somit auf einem der beiden Regelwerte und die resultierenden Stichprobenwerte des Kraftstoffluftverhältnisses werden dazu neigen,

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-erosion an den gegenüberliegenden äußeren Enden einer Verteilung zu konzentrieren. Die Linearintegration andererseits liefert ein Ausgangssignal, das sich linear in seiner Amplitude mit der Zeit und in eine Richtung ändert, die davon abhängt, ob die wahrgenommene Sauerstoffkonzentration oberhalb oder unterhalb des stöchiometrischen Wertes liegt. Daher zeigen die Stichprobenwerte des Kraftstoffluftverhältnisses eine gleichmäßige Verteilungskennlinie .

Die erfindungsgemäße kombinierte Verwendung eines Proportional- und eines Integralreglers, ergibt eine gemischte Hegelkennlinie, bei der die Integralregelung zur Konzentration der stichprobenweise genommenen Regelsignale innerhalb eines engen Bereiches beiträgt, der durch die unterbrochenen Linien 30 in Figur 3b dargestellt ist, während die Proportionalregelung zur Verteilung der stichprobenweise genommenen Signale in einem breiteren Fensterbereich beiträgt , wie es durch unterbrochene Linien 31 dargestellt ist. Die Wahrscheinlichkeit, daß das Proportional-Integral-Regelsignal innerhalb eines engen Bereiches liegt, ist daher großer als bei einem Proportional- oder Integral-Regelsignal allein. Diese grössere Konzentration des Regelsignals in einem engen Bereich dient zum Konzentrieren der Kraftstoffluftverhältnisverteilung innerhalb eines schmalen stöchiometrischen Fensters, das den unterbrochenen Linien 30 entspricht.

Das Proportional-Integral-Regelprinzip liefert zusammen mit der Pulsierung des Regelsignals die in Figur 3a dargestellte Häufigkeitsverteilung der Kraftstoffluftverhältnisse.

Die Frequenz des Zitterimpulses vom Generator 18 kann so gesteuert werden, daß sie sich proportional mit der Drehzahl der Maschine ändert, wie es durch eine Verbindungslinie 40 in Figur Λ dargestellt ist oder kann mit der Drehung der Kurbelwelle in der Maschine synchronisiert sein. Unter diesen Umständen wird unabhängig von der Drehzahl der Maschine das Verhältnis der Frequenz des Zitterimpulses zur Frequenz des Ausgangssignals der Regelschaltung

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13 im wesentlichen konstant gehalten.

Der Impulsgenerator 18 kann statt am Summierungspunkt 1? am ■ Ausgang der Regelschaltung 13 am Suimnierungspunkt 50 liegen, wie es in Figur 4 dargestellt ist, um das Ausgangs signal vom Komparator 12 zu modulieren.

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eer

Claims

Patentansprüche

Emissionsregelvorrichtung für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit einer für die Zylinder der Maschine gemeinsamen Abgasleitung, gekennzeichnet durch einen Sensor (10) für die Abgaszusammensetzung, der in der Abgasleitung angeordnet ist, um die Konzentration eines Bestandteils der Abgasemission der Zylinder wahrzunehmen, durch eine Einrichtung (12), die ein Regelsignal erzeugt, das die wahrgenommene Konzentration wiedergibt, um zu bestimmen, ob die wahrgenommene Konzentration oberhalb oder unterhalb eines bestimmten Wertes liegt und dadurch ein Ausgangssignal zu liefern, das die wahrgenommene Konzentration relativ zu dem bestimmten Wert wiedergibt, durch eine Einrichtung, die auf das Regelsignal ansprechend den Kraftstoff und die Luft mischt und proportioniert, die den Zylindern geliefert werden, wobei die Vorrichtung mit einer resultierenden Schwankung der wahrgenommenen Konzentration, des Abgasbestandteiles selbstregelnd ist, durch eine Einrichtung (18), die ein pulsierendes Signal mit entgegengesetzten Polaritäten und einer Frequenz erzeugt,, die über der Frequenz liegt, mit der die wahrgenommene Konzentration schwankt, wobei der Mittelwert der Amplitude des pulsierenden Signals nahezu gleich Null ist, und durch eine Einrichtung (17 > 50) zum Kombinieren des Regel signals mit dem pulsierenden Sig- " nal, so daß das Regel signal mit der höheren Frequenz schwankt.
2. Emissionsregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Regelsignal erzeugende Einrichtung eine Einrichtung (14-), die eine Proportionalverstärkung des Ausgangssignals der Yergleichseinrichtung liefert, eine Einrichtung (15) j die eine Integration des Ausgangssignals der Vergleichseinrichtung liefert, und eine Einrichtung (16) aufweist, die eine Summierung der Ausgangssignale der eine Proportionalverstärkung und eine Integration liefernden Einrichtungen bewirkt, wobei das Ausgangssignal der die Summierung bewirkenden Einrichtung an der Kombiniereinrichtung (17) liegt, so daß das kombi-

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ORIGINAL INSPECTED

nierte Ausgangssignal von der die Summierung bewirkenden Einrichtung (16) dazu gebracht wird, mit der höheren Frequenz zu schwanken.

3- Emissionsregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das pulsierende Signal erzeugende Einrichtung eine Einrichtung aufweist, die die höhere Frequenz proportional zu der Drehzahl der Maschine in Bezug setzt.

4-, Emissionsregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombiniereinrichtung (50) mit dem Ausgang der Vergleichs einrichtung (12) verbunden ist.

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