DE2710087A1

DE2710087A1 - Vorrichtung zur auspuffgassteuerung fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2710087A1
Application number: DE19772710087
Authority: DE
Inventors: Makoto Anzai; Akio Hosaka
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1976-03-08
Filing date: 1977-03-08
Publication date: 1977-09-15
Also published as: JPS52110333A; US4171690A; JPS5611060B2

Description

TER MEER MÖLLER · STEINMEISTER

Nissan Motor Company, Limited
PG23-76346

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur Auspuffgassteuerung für Brennkraftmaschinen und insbesondere eine derartige Vorrichtung gemäß den Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Auspuffgas-Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die einen Sensor für die Auspuffgaszusammensetzung aufweist und außerhalb des für eine Rückkopplungssteuerung nutzbaren Arbeitsbereiches des Sensors das Steuersystem auf einen geeigneten Wert festlegt.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Erfindungsgemäß wird ein Fehlerkorrektur-Signal geschaffen, das sich nach oberhalb und unterhalb einer vorgegebenen Gleichspannung ändert und ein angemessenes Luft-Brennstoff-Verhältnis sicherstellt, wenn

der Auspuffgassensor unter ungünstigen Bedingungen arbeitet.

Es ist eine Mittelwertschaltung oder Integrationsschaltung vorgesehen, die ein Signal erzeugt, das dem Mittelwert der abgetasteten Zusammensetzung entspricht. Eine symmetrierte Differenzverstärkerstufe erzeugt ein Signal, das der Differenz zwischen dem augenblicklichen Wert der abgetasteten Zusammensetzung und deren Mittelwert entspricht. Der Differenzverstärker ist

auf eine geeignete Gleichspannung vorgespannt, so daß der Ausgang des Differenzverstärkers nach oberhalb und unterhalb dieser Gleichspannung geändert wird.

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Die nutzbare Lebensdauer des Auspuffgassensors wird erfindungsgemäß verlängert. Das System ist arbeitsfähig unter Bedingungen, bei denen ein Rauschen vorherrscht.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 veranschaulicht eine erste Ausfüh

rungsform der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Wellenformdiagramm des Ausgangssignals des Auspuffgassensors; 15

Fig. 3 ist ein Wellenformdiagramm des Ausgangssignals des symmetrierten Differenzverstärkers;

Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungs

form;

Fig. 5 zeigt eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung; 25

Fig. 6 veranschaulicht eine Abwandlung der Mittelwertfschaltung der Fig. 1;

Fig. 7 zeigt eine weitere Abwandlung der Erfindung.

Gem. Fig. 1 gibt eine Vorrichtung 1o zur Mischung und Dosierung von Luft und Brennstoff ein Luft-

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Brennstoff-Gemisch an die Zylinder einer Brennkraftmaschine 11 ab. Das Gemisch wird verbrannt und über einen katalytischen Konverter 12 in einer Auspuffleitung als Auspuffgas ausgestoßen. Ein Auspuffgas-Sensor, etwa ein Sauerstoffsensor 13 befindet sich auf der stromaufwärtigen Seite des katalytischen Konverters und tastet die Konzentration des Restsauerstoffs in den Auspuffgasen ab und liefert ein Signal an einen Gleichstrom-Pufferverstärker 14, das für die abgetastete Sauerstoffkonzentration repräsentativ ist. Der Ausgang des Pufferverstärkers ist mit einer Mittwert- oder Integrationsschaltung oder einem RC-Filter verbunden, das durch einen Widerstand R₁ und einen mit Masse verbundenen Kondensator C₁ gebildet wird und einem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 16 über einen Widerstand R_ vorgeschaltet ist. Der Ausgang des Pufferverstärkers 14 ist weiterhin mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 16 über einen Widerstand R ' verbunden, der denselben Widerstandswert wie der Widerstand R₂ aufweist. Durch Verbinden des invertierenden Eingangs und des Ausgangs mit Hilfe eines Widerstandes R. und durch Verbinden des nicht-invertierenden Eingangs mit einer Spannungsquelle VS über einen Widerstand R ', der denselben Widerstandswert wie der Wiederstand R- aufweist, wirkt der Operationsverstärker 16 als

symmetrierter Differenzverstärker. Der Ausgang dieses symmetrierten Differenzverstärkers oder Operationsverstärkers 16 ist mit einer Proportional-Integral-Steuerschaltung 17 verbunden, in der die Amplitude des Eingangssignals entsprechend den Proportional- und integral-Steuercharakteristika modifiziert wird, so daß ein Fehlerkorrektursignal für die Vorrichtung 1o zur Herstellung des

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Luft-Brennstoff-Gemisches gebildet wird.

Im Betrieb wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches durch das Rückkopplungssignal der Steuerschaltung 17 auf einen gewünschten Wert eingeregelt, der normalerweise in der Nähe des stöchio-

metrischen Wertes liegt, bei dem schädliche Auspuffgasbestandteile (CO, HC und NOx) gleichzeitig in unschädliche Stoffe mit maximaler Umwandlungseffektivität durch den katalytischen Konverter 12 umgewandelt werden.

Der Ausgang des Auspuffgas-oder Sauerstoff-Sensors 13 ist repräsentativ für die abgetastete Sauerstoffkonzentration, jedoch neigt seine Amplitude zu Schwingungen aufgrund der systemimmanenten Verzögerungszeit im Ansprechen auf die Eingangsseite, und zwar auch bei gleichmäßigem und normalen Fahrbetrieb des Fahrzeugs. Das verstärkte, für die Sauerstoffkonzentration repräsentative Signal V wird durch das RC-Filter 15 gefiltert, und die Spannung V an dem Kondensator C1 ist repräsentativ für den Mittelwert der sich ändernden abgetasteten Sauerstoffkonzentration. Dieser Mittelwert dient als Bezugswert für den Differenz- oder Operationsverstärker 16 zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das die Abweichungen des augenblicklichen Wertes der abgetasteten Sauerstoffkonzentration von dem Mittelwert der Sauerstoffkonzentration widergibt.

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Da die Impedanz das Sauerstof fsensors 16 als Funktion der Auspuffgastemperatur und der Zeit während einer beträchtlichen Betriebsperiode veränderlich ist, ist der Mittelwert der abgetasteten Sauerstoffkonzentration ein Maßstab für diese Faktoren,die die Arbeits-

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weise des Sensors 13 beeinflussen. Daher kann die Spannung V. dazu benutzt werden, Fehler auszugleichen, die sich aus der Änderung der Arbeitsweise des Sensors ergeben, so daß dessen Betriebstemperaturbereich und dessen nutzbare Lebensdauer verlängert werden können. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ändern sich die oberen Spitzenwerte der abgetasteten Konzentration, die durch die Spannung V wieiergegeben ist, als Funktion der Auspuffgastemperatur, während die unteren Spitzenwerte konstant bei Null Volt liegen, so daß sich die Spannungs-WeIlenform V als Funktion der Auspuffgastemperatur ändert.

Der symroetrierte Differenz- oder Operationsverstärker 16 soll nunmehr im einzelnen erläutert werden. Wenn die Widerstände R2=R2' = R3=R3' sind, arbeitet der Operationsverstärker 16 als einheitlicher Leistungsverstärker. Wenn die Spannung V_c 1/2 der maximalen Spitzenamplitude der Spannung V beträgt,

weist der Ausgang des Differenzverstärkers 16 fol-

R3
genden Wert auf: V_ = V_ + ^ (V - V.) = V_ + (V-V ) ,

Da der Wert in den Klammern die Differenz zwischen der Eingangsspannung des Differenzverstärkers wiedergibt, ändert sich die Ausgangsspannung V_Q des Verstärkers 16 nach oberhalb und unterhalb des konstanten Gleichstrompotentials V_ um einen Betrag proportional zu der Differenz (V - V-) wie in Fig. 3 dargestellt ist.

3o

Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei der das Ausgangssignal der Mittelwertschaltung oder des RC-Filters 15 in seiner Polarität durch einen Inverter 2o umgekehrt und an den invertierenden Eingang eines Summierverstärkers 21 gelegt ist.

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Der invertierende Eingang des Summierverstärkers ist mit dem Ausgang des Pufferverstärkers 14 und einer Gleichspannungsquelle V verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Summierverstärkers ist mit Masse verbunden. Der Summierverstärker 21 kombiniert diese beiden Eingangsspannungen und erzeugt einen Ausgang, der die Amplitudencharakteristika der zuvor erläuterten Ausführungsform aufweist.

Alternativ kann der Differenzverstärker 16 der Fig.1 gemäßFig· 5 ausgebildet sein. d.h., der nicht-invertierende Eingang kann mit Masse anstelle mit der positiven Gleichspannungsquelle V₀ verbunden sein, so daß sein Ausgangssignal nach oberhalb und unterhalb des Null-Potentials um einen Betrag geändert wird, der proportional zu der Differenz zwischen den beiden Eingangsspannungen ist, und an einen Summierverstärker 23 gelangt, der ebenfalls eine Gleichspannung der Spannungswelle V aufnimmt.

Daher stellt der Ausgang des Summierverstärkers 23 eine Spannung dar, die sich nach oberhalb und unterhalb der Gleichstrom-Vorspannung der Spannungsquelle V_ ändert.

Die Mittelwertschaltung oder das RC-Filter 15 kann gemäß Fig. 6 abgewandelt werden. In diesem Falle ist eine Schaltung 15 gezeigt, die einen Spitzenwertdetektor umfaßt, der eine Diode D1, deren Anode mit dem Ausgang des Pufferverstärkers 14 verbunden ist, und einen Kondensator C2, der mit der Kathode

der Diode verbunden ist, umfaßt. Ein Spannungsteiler, der durch in Reihe geschaltete Widerstände R5 und R6 gebildet wird, lieqt zwischen der Kathode der Diode D1 und Masse. Der Verbindungspunkt zwischen den Wi-

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derständen R5 und R6 ist mit dem symmetrierten Operations- oder Differenzverstärker 16 über den Widerstand R2 verbunden.

Der Kondensator C2 wird über die Diode D1 geladen, solange das Potential an dem Ausgang des Pufferverstärkers 14 höher als das Potential über den Kondensator C2 ist. Wenn die Spitzenspannung erreicht ist, nimmt die Spannung über den Kondensator C2 exponentiell über die in Reihe geschalteten Widerstände R5 und R6 ab. Die Zeitkonstante C2 (R5 + R6) wird so gewählt, daß die Spannung an dem Kondensator C2 während der Zeit zwischen den aufeinanderfolgenden Spitzenspannungen der abgetasteten Sauerstoffkonzentration im wesentlichen konstant bleibt. Die Spannung über den Kondensator C1 wird sodann auf einen Wert reduziert, der bestimmt wird durch das Verhältnis der beiden Widerstände R5, R6, so daß die Spannung an dem Verbindungspunkt des Spannungsteilers im wesentlichen repräsentativ für den Mittelwert der abgetasteten Sauerstoffkonzentration ist.

Da das Eingangssignal der Steuerschaltung 17 nach oberhalb und unterhalb der vorbestimmten Gleichspannung geändert wird, wird der Steuerpunkt mit der Gleichspannung zusammengeschaltet, wenn ein ungültiges Signal des Auspuffgassensors während dessen ungünstiger Betriebsbedingungen geliefert wird, wie etwa beim Kaltstarten der Maschine.

Während der symmetrierten Schaltungsanordnung werden Rauschbestandteile im Ausgangssignal des Differenzverstärkers unterdrückt.
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Da das Ausgangssignal des symmetrierten Differenzverstärkers 16 ein Maß für die Differenz zwischen dem

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Mittelwert des abgetasteten Sauerstoffgehalts und dessen augenblicklichem Wert ist, kann der Fehler, der sich aus veränderlichen Betriebsbedingungen des Sensors ergibt, ausgeglichen werden, so daß die nutzbare Lebensdauer verlängert wird.

Die Gleichspannungsquelle Vs kann gebildet werden durch einen Sensor 3O zum Abtasten von Maschinenbetriebsparametern, der in Fig. 7 gezeigt ist. Der Sensor 30 tastet verschiedene Maschinenbetriebparameter, wie etwa den Ansaugunterdruck und die Maschinendrehzahl ab und erzeugt ein entsprechendes elektrisches Signal, das einer Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle 32 überlagert wird. Daher kann die Ausgangsspannung Vs entsprechend den abgetasteten Betriebsbedingungen variiert werden. Beim Abtasten eines Lehrlaufzustandes durch den Sensor 30 ändert sich die Ausgangsspannung Vs entsprechend einem Wert, der für diesen Betriebszustand der Maschine besonders geeignet ist. Beim Ausfallen des Abgassensors 13

wird daher die Ausgangsspannung Vs nicht durch den Sensor 30 beeinflußt, und das Luft-Brennstoff-Verhältnis wird auf einen Wert eingeregelt, der ausschließlich für diese Fehlersituation geeignet ist. Diese An-Ordnung ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis von dem stöchiometrischen Wert über einen längeren Zeitraum abweicht, weil etwa äußere Störungen, wie eine plötzliche Beschleunigung oder Verzögerung aufgetreten sind, da der abgetastete Maschinenparameter bewirkt, daß die Gleichstrom-Vorspannung Vs geändert wird und zwangsweise das gesteuerte Luft-Brennstoff-Verhältnis auf einen geeigneten Wert bringt.

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Al Leerseite

Claims

Patentansprüche

/1.1 Vorrichtung zur Auspuffgassteuerung für Brennkraftmaschinen mit einer Vorrichtung zum Mischen und Dosieren von Luft und Brennstoff zur Versorgung der Zylinder einer Brennkraftmaschine entsprechend einem Fehlerkorrektursignal, mit einem Auspuffgassensor zum Abtasten der Konzentration eines Aufpuffgasbestandteiles der Brennkraftmaschine und zur Erzeugung eines ersten Signals, das für die abgetastete Konzentration repräsentativ ist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (15) zur Erzeugung eines zweiten Signals, das im wesentlichen repräsentativ für einen Mittwert des ersten Signals ist, eine Einrichtung (16) zur Erzeugung eines dritten Signals, das im wesentlichen repräsentativ für die Differenz der Amplitude zwischen dem ersten und dem zweiten Signal ist, eine Einrichtung (Vs,23) zum Kombinieren des dritten Signals mit einer vorbestimmten Gleichspannung und zur Änderung des dritten Signals nach oberhalb und unterhalb der Gleichspannung und eine Einrichtung (17) zur Modifizierung der Amplitude des kombinierten Signals entsprechend vorbestimmten Steuercharakteristika zur Erzeugung eines Fehlerkorrektursignals.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des dritten Signals und zum Kombinieren der Signale einen Operationsverstärker (16) umfaßt, der einen ersten und einen zweiten Eingang aufweist, die über erste und zweite Widerstände (R-, R₂'^ gleichen Wi- derstandswert mit dem Ausgang der Einrichtung zur Erzeugung des zweiten Signals und des Auspuffgassensors verbunden sind, daß der erste Eingang wei terhin über einen dritten Widerstand (R₃) mit dem Ausgang verbunden ist und daß der zweite Eingang auf die vorbestimmte Gleichspannung (VS) über einen wei-

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ORIGINAL INSPECTED

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teren Widerstand (R3') vorgespannt ist, wobei der zweite und dritte Widerstand (R₃, R ')gleiche Widerstandswerte aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (16) zur Erzeugung des dritten signals und zum Kombinieren der Signale einen Inverter (2o) umfaßt, der die Polarität eines der Ausgangssignale der Einrichtung (15) zur Erzeugung des zweiten Signals und des Auspuffgassensors (13) umkehrt, daß eine Gleichstromquelle mit vorbestimmter Spannung vorgesehen ist, und daß ein Summierverstärker (23) vorgesehen ist, der das polaritäts-invertierte Signal, das andere, nichtinvertierte Signal und die Gleichspannung aufnimmt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (16) zur Erzeugung des dritten Signals um zum Kombinieren der Signale einen Operationsverstärker umfaßt, der einen ersten und einen zweiten Eingang aufweist, die über erste und zweite Widerstände (R-, R₂') gleichen Widerstandwertes mit den Ausgängen der Einrichtung (15) zur Erzeugung des zweiten Signals und des Auspuffgassensors verbunden sind, daß der erste

Eingang über einen dritten Widerstand (R₃) mit dem Ausgang verbunden ist, daß der zweite Eingang über einen vierten Widerstand (R₃') auf Massepotential gelegt ist, daß der dritte und der vierte Widerstand gleiche Widerstandswerte aufweisen, und daß ein

Summierverstärker (23) das Ausgangssignal des Operationsverstärkers und die Gleichspannung vorbestimmten Wertes aufnimmt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung

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des zweiten Signals einen Spitzenwertdetektor (D₁) umfaßt, der mit dem Ausgang des Auspuffgassensors verbunden ist, daß ein Spannungsteiler (R₅,R,) mit dem Spitzenwertdetektor und Masse verbunden ist, und daß der Ausgang des Spannungsteilers mit der Einrichtung zur Erzeugng des dritten Signals in Verbindung steht.
6. Vorrichtung nach ANspruch 5, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Spitzenwertdetektor eine Diode (D₁) und einen Kondensator in Reihenschaltung umfaßt, die zwischen dem Ausgang des Auspuffgassensors und Masse liegen, und daß der Verbindungspunkt zwischen der Diode und dem Kondensator mit dem Spannungsteiler (R₅/ Rg) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeich net durch eine Einrichtung (3o) zur Abtastung von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und zur Erzeugung eines entpsrechenden elektrischen Signals und eine Einrichtung zur Änderung der Gleichspannung entsprechend dem abgetasteten elektrischen Signal.

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