DE2716151A1

DE2716151A1 - Einstellvorrichtung fuer das luft- kraftstoff-verhaeltnis des gemischs fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2716151A1
Application number: DE19772716151
Authority: DE
Inventors: Tamotsu Fukuda; Tadashi Hattori; Takamichi Nakase; Akira Takata
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1976-04-14
Filing date: 1977-04-12
Publication date: 1977-10-27
Also published as: DE2716151C2; JPS52125930A; JPS5642742B2; US4175521A; GB1547946A

Description

T.EDTKE - BOHUNO " K.NNE - GrUPE

Cipl.-Chem. Bühling

7 1 fi 1 *» 1 Dipl.-lng. Kinne * ' » O I 3 i Dipl.-lng. Grupe

Bavariarlng 4, Postfach 20 24 8000 München 2

Tel.: (0 89)53 96 53-56

Telex: 5 24 845 tipat

cable. Germaniapatent München

12. April 1977 B 8067 / case A2193-O3 Soken

Nippon Soken, Inc.
Nishio-shi/Japan

Toyota Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha
Toyota-shi/Japan

Einstellvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs für eine Brennkraftmaschine

_Gr 709843/0874

Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Posischeck (München) KIo 670-43-IKH

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einstellvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Gemischs, das einer Brennkraftmaschine zugeführt wird. Die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mittels einer solchen Einstellvorrichtung verfolgt den Zweck, für größtmögliche Wirksamkeit der Abgasreinigung bei Brennkraftmaschinen zu sorgen, die zur Verringerung der Schadstoffemission im Abgas von Kraftfahrzeugen entsprechend modifiziert worden sind, bzw. für größtmögliche Reinigung der Abgase mit Hilfe eines Katalysators bei solchen Brennkraftmaschinen zu sorgen, die zum Zweck der Abgasreinigung mit Abgasreinigungskatalysatoren ausgerüstet sind. Die erfindungsgemäße Einstellvorrichtung soll eine möglichst zweckmäßige Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erreichen, und zwar insbesondere durch Steuerung der Zufuhr von Zusatzluft.

Es ist bereits eine Einstellvorrichtung zum Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bekannt, bei der der Sauerstoffgehalt des Abgases eines Motors festgestellt wird und dieses Meßergebnis auf eine Steuereinheit gegeben wird, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Motor zugeführten Gemischs bestimmt und die freie Durchflußfläche einer Zusatzluftleitung entsprechend verändert, die die Kraftstoff— düse und die Drosselklappe des Vergasers umgeht. Auf diese Weise wird die Menge der Zusatzluft gesteuert, wodurch wiederum das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einen bestimmten Wert eingestellt wird. Bei dieser bekannten Vorrichtung kann der im Auspuffrohr montierte Fühler für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, der beispielsweise den Sauerstoffgehalt des Abgases feststellt, beim Kaltstart des Motors nicht richtig arbeiten, was zur Folge hat, daß die Steuerung eines in der Zusatzluftleitung montierten Bypassventils zeitweilig unterbrochen wird, bis die Motortemperatur angestiegen ist und der Fühler dann einwandfrei arbeitet.

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Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Einrichtung besteht darin, daß wegen der verhältnismäßig fetten Einstellung des Vergasers bei Unterbrechung der Steuerung des Bypassventils bis zur ausreichenden Erwärmung des Motors während einer längeren Zeitdauer ein übermäßig fettes Gemisch geliefert wird, was zur Emission großer Mengen von unvollständig verbrannten Bestandteilen, wie beispielsweise von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, durch den Motor führt.

Eine weitere Schwierigkeit bei dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß während der Anfangsphase der Steuerung des Luftverhältnisses des Gemischs mittels des Bypassventils, während der Motor allmählich wärmer wird, der Luftverhältnisfühler noch nicht einen Zustand erreicht hat, in dem er voll wirksam arbeitet, wobei auch seine Ansprechempfindlichkeit unbefriedigend ist. Dies hat zur Folge, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs nicht ausreichend gesteuert werden kann, so daß das Gemisch übermäßig mager wird und der Motor daher nicht in gewünschter Weise arbeiten kann und zu Fehlzündungen und Stehenbleiben usw. neigt.

Als im Auspuffrohr des Motors montierter Luftverhältnisfühler kommt beispielsweise ein Sauerstoffühler auf Zirkondioxidbasis oder Titandioxidbasis usw. in Frage. Ein solcher Fühler arbeitet in der Weise, daß die Ausgangs-EMK (elektromotorische Kraft) bzw. der Widerstand sich sprunghaft im Bereich des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, d.h. beim Luftverhätlnis ^ = 1, ändert, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Mittels eines Luftverhältnisfühlers mit der beschriebenen elektrischen Kennlinie kann zwar nach allgemeiner Ansicht eine gute automatische Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf den stöchiometrischen Wert erreicht werden; wenn jedoch

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zur Steuerung der Abgaszusanunensetzung bzw. zur Ver ringerung der Schadstoffanteile das Abgases die automati sche Steuerung einen vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff- Verhältnis abweichenden Viert einsteuern soll, so kann dieses Ziel mit der herkömmlichen Einstellvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nicht erreicht werden.

Wie Fig. 1 zeigt, variiert die vo.m Sauerstoffühler auf Zirkondioxidbasis oder dergleichen erzeugte EMK mit der Abgastemperatur. Diese Änderung ist besonders ausgeprägt für die höheren Werte der EMK. Außerdem sinkt die EMK durch allmähliche Veränderung bzw. Verschlechterung des Fühlers. Bei der herkömmlichen Einstellvorrichtung, bei der mittels eines Fühlers auf Zirkondioxidbasis das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einen Wert im Bereich des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses geregelt bzw. automatisch gesteuert wird, ändert sich daher die Kennlinie des Luftverhältnisfühlers je nach dem Einbauort des Luftverhältnisfühlers und nach seinem Alter bzw. Ausmaß der Verschlechterung, so daß es unmöglich ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases genau zu steuern, und zwar insbesondere, wenn ein unterhalb des stöchiometrischen Wertes liegendes Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf den stöchiometrischen Wert zurückgebracht werden soll. Der Grund dafür liegt darin, daß - wie Fig. 1 zeigt, - die Ausgangsspannung V des Fühlers, die mit einer dem

stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechenden Spannung V verglichen werden soll, sich bei gegebenem Luftverhältnis mit der Temperatur des Abgases ändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile zu beheben.

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Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen gekennzeichnete Einstellvorrichtung gelöst.

Die erfindungsgemäße Einstellvorrichtung steuert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemischs, indem sie die Zusatzluftmenge entsprechend dem Ausgangssignal eines Luftverhältnisfühlers steuert, wobei je nach dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine während des Aufwärmens unterschiedliche Änderungsgeschwindigkeiten beim Vergrößern und Verringern der Zusatzluftmenge benutzt werden, so daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs auf einea vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweichenden Wert gesteuert wird und verhindert wird, daß das Gemisch während des Kaltstarts der Brennkraftmaschine übermäßig mager wird. Dadurch wird der Betrieb der Brennkraftmaschine während des Warmlaufens stabilisiert und die Emission großer Mengen an Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen verhindert und ferner verhindert, daß Fehlzündungen und Stehenbleiben der Brennkraftmaschine auftreten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Kennlinie eines Luftverhältnisfühlers, d.h.

dessen elektromotorische Kraft in Abhängigkeit

vom Luftverhältnis;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 einen Schaltplan der Steuereinheit der Ausführungsform gemäß Fig. 2;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung des Funktionsweise der Ausführungsform gemäß Fig. 2, wobei das

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Luftverhältnis, das Ausgangssignal des Luftverhältnisfühlers und die Zusatzluftmenge in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt sind;

Fig. 5 einen ausschnittsweisen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 und 7 Kennlinien zur Erläuterung der Funktionsweise der Ausführungsform gemäß Fig. 5.

Im folgenden wird die Erfindung ausführlicher unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die in Fig.2 dargestellte Motoranlage umfaßt einen Vergaser 1, der ein Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugt, einen Ansaugkrümmer 2, der das Luft-Kraftstoff-Gemisch einer Brennkraftmaschine 3 zuführt, einen Abgaskrümmer 4, durch den die Abgase von der Brennkraftmaschine 3 abgeleitet werden, sowie einen im Abgaskrümmer montierten katalytischen Wandler 5. Der Vergaser 1 ist so eingestellt, daß er ein Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugt, das etwas fetter ist, als es für den günstigsten Betrieb des katalytischen Wandlers 5 angebracht ist. Die Hauptluft wird durch ein Hauptsaugrohr 1a zugeführt und mit einer entsprechenden Kraftstoffmenge zu dem etwas überfetteten Gemisch gemischt, das der Brennkraftmaschine 3 zugeführt wird, in dieser verbrannt wird und dann durch den Abgaskrümmer 4, den katalytischen Wandler 5 sowie einen nicht dargestellten Schalldämpfer an die Umgebung abgegeben wird. Am Abgaskrümmer ist ein Luftverhältnisfühler 6 montiert, der einen Sauerstoffühler auf Metalloxidbasis, beispielsweise auf Zirkondioxidbasis, umfaßt und ein dem Sauerstoffgehalt des Abgases entsprechendes Signal erzeugt. Dieses Luftverhältnissignal vom Luftverhältnisfühler 6 wird auf eine Steuereinheit 7 gegeben, deren Ausgang eine Antriebseinrichtung ansteuert, die beispielsweise einen Schrittmotor 8 umfaßt. Ferner sind ein Luftfilter 9, eine Zusatz-

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-12- 2 V 161 b i

luftleitung 11, die an einer Kraftstoffdüse 1b sowie einer Drosselklappe 10 vorbeiführt, und ein in der Zusatzluftleitung 11 angeordnetes Bypassventil 12 vorgesehen, das die freie Durchflußfläche der Zusatzluftleitung 11 steuert. Das Bypassventil 12 wird vom Schrittmotor 8 so verstellt, daß dadurch die Menge der dem im Vergaser 1 erzeugten Gemisch zugeführten Zusatzluft entsprechend gesteuert wird. Das Bypassventil 12, die Zusatzluftleitung 11 und der Schrittmotor 8 bilden eine Zusatzlufteinstelleinrichtung. Die dargestellte Einstellvorrichtung arbeitet in der Weise, daß dem vom Vergaser 1 gelieferten Gemisch, das etwas fetter ist, als es für die wirksamste Arbeitsweise des katalytischen Wandlers zweckmäßig ist, die fehlende Luftmenge als Zusatzluft zugeführt wird, was durch entsprechende Veränderung der freien Durchflußfläche der Zusatzluftleitung 11 erfolgt, so daß schließlich das der Brennkraftmaschine 3 zugeführte Gemisch den geeigneten und gewünschten Wert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses hat, wodurch die Reinigungswirkung des katalytischen Wandlers 5 verbessert wird. Ferner ist ein Ventilstellungsfühler 13 vorgesehen, der feststellen kann, ob sich das Bypassventil 12 in seiner vollständig geschlossenen Stellung befindet, und dessen Kontakte geöffnet werden, wenn das Bypassventil 12 diese vollständig geschlossene Stellung einnimmt. Ein Aufwärmfühler 14 stellt den Aufwärmzustand der Brennkraftmaschine 3 fest, indem er beispielsweise die Kühlwassertemperatur, die Temperatur des Motorblocks oder die Umgebungstemperatur der Brennkraftmaschine 3 feststellt, und umfaßt bei der dargestellten Ausführungsform einen Temperaturfühler mit einem Thermistor, der die Kühlwassertemperatur ermittelt.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 die Steuereinheit 7 ausführlicher erläutert. Diese umfaßt eine Vergleicherschaltung 7a, die das gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis vergleicht und einen Eingangswiderstand 101,

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einen Vergleicher 104 sowie zur Spannungsteilung dienende Widerstände 102 und 103 umfaßt, mittels derer an den umkehrenden Eingang des Vergleichers 104 eine Bezugsspannung angelegt wird. An den nicntumkehrenden Eingang des Vergleichers 104 ist über den Eingangswiderstand 101 der Luftverhältnisfühler 6 angeschlossen. Die durch die Spannungsteilenden Widerstände 102 und 103 bestimmte Bezugsspannung ist so eingestellt, daß sie gleich der elektromotorischen Kraft V ist, die vom Luftverhältnisfühler

beim stöchiometrisehen Luft-Kraftstoff-Verhältnis bzw. in dessen Nähe erzeugt wird. Wenn das vom Luftverhältnisfühler 6 festgestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis kleiner als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, d.h. wenn das Gemisch fett ist, erzeugt somit die Vergleicherschaltung 7a an ihrem Ausgang A eine logische "1", während sie am Ausgang A eine logische "0" liefert, wenn das festgestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis größer als das stöchiometrische Verhältnis ist, d.h. wenn das Gemisch mager ist.

Zur Steuereinheit gehört ferner ein Impulsgenerator 7b, der drei Oszillatoren umfaßt, die von NICHT-Gattern 105, 107, 109, 111, 113 und 115, Widerständen 106, 110 und und Kondensatoren 108, 112 und 116 gebildet werden und die an den Ausgängen B, C und D des Impulsgenerators Impulssignale mit drei verschiedenen Frequenzen liefern. Wenn die Frequenzen der an den Ausgängen B, C und D gelieferten Impulssignale mit f bzw. f bzw. f bezeichnet werden,

D C- D

sind die Frequenzen so gewählt, daß gilt f_B > f_c > f_D.

Ferner umfaßt die Steuereinheit eine Geschwindigkeitsschaltung 7c, die zur Auswahl der Öffnungsgeschwindigkeit des Bypassventils dient. Diese Geschwindigkeitsschaltung 7c umfaßt NICHT-Gatter 117 und 121, UND-Gatter 118, 119,

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und 122 sowie ein ODER-Gatter 123. Eingangssignale der Geschwindigkeitsschaltung sind Signale vom Aufwärmfühler und vom Impulsgenerator 7b.

Im folgenden wird der Aufwärmfühler 14 ausführlicher beschrieben. Der Aufwärmfühler 14 umfaßt zwei Kühlwassertemperaturdetektoren, die eingeschaltet werden, wenn die Temperaturen höher als vorgegebene Temperaturen sind. Die Kühlwassertemperaturdetektoren umfassen Thermoschalter 14a und 14c, die unter Ausnutzung des Curiepunktes von ferromagnetischem Material Zungenschalter ein- und ausschalten, sowie Widerstände 14b und 14d. Die Ausgänge des Aufwärmfühlers sind an die Geschwindiykeitsschaltung 7c angeschlossen. Der Thermoschalter 14a wird bei einer Temperatur T₁ geschaltet, und der Thermoschalter 14c wird bei einer Temperatur T- geschaltet, wobei T. <C T„ gilt. Wenn die Kühlwassertemperatur der Brennkraftmaschine 3 niedriger als T₁ ist, sind beide Thermoschalter 14a und 14c ausgeschaltet, so daß an den zwei Ausgängen des Aufwärmfühlers als Signal eine logische "1" vorliegt und in der Geschwindigkeitsschaltung 7c eine logische "1" am einen Eingang des UND-Gatter 118, über das UND-Gatter 119 eine logische "0" am einen Eingang des UND-Gatters 120 und über das NICHT-Gatter 121 eine logische "0" am einen Eingang des UND-Gatters 122 anliegt, so daß lediglich das UND-Gatter geöffnet ist. Wenn die Kühlwassertemperatur über T₁ und . unter T₂ liegt, ist der Thermoschalter 14a eingeschaltet, während der Thermoschalter 14c ausgeschaltet ist, so daß lediglich das UND-Gatter 120 geöffnet ist. Wenn die Kühlwassertemperatur über T₂ liegt, sind beide Thermoschalter 14a und 14c eingeschaltet bzw. geschlossen, so daß nur das UND-Gatter 122 geöffnet ist.

Aufgrund des beschriebenen Aufbaus ergibt sich, daß dann, wenn die Kühlwassertemperatur niedriger als T ist, das am

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Ausgang D des Impulsgenerators 7b vorliegende Impulssignal über das UND-Gatter 118 und das ODER-Gatter 123 zum Ausgang E der Geschwindigkeitsschaltung 7c gelangt. Wenn die Kühlwassertemperatur oberhalb T. und unterhalb T„ liegt, gelangt das am Ausgang C des Impulsgenerators 7b vorliegende !mpulssignal über das UND-Gatter 120 und das ODER-Gatter zum Ausgang E der Geschwindigkeitsschaltung 7c. Wenn die Kühlwassertemperatur höher als T„ ist, gelangt das am Ausgang B des Impulsgenerators 7b vorliegende Impulssignal über das UND-Gatter 122 und das ODER-Gatter 123 zum Ausgang E der Geschwindigkeitsschaltung 7c.

Die Steuereinheit umfaßt ferner eine Befehlsschaltung 7d, die eine logische Steuerschaltung bildet und gespeist wird mit den Signalen von der Vergleicherschaltung 7a, dem Impulsgenerator 7b, der Geschwindigkeitsschaltung 7c und dem Ventilstellungsfühler 13. Die Befehlsschaltung 7a umfaßt ein NICHT-Gatter 124 und zwei ODER-Gatter 125 und 126. Einer der Eingänge des ODER-Gatters 125 ist mit dem Ausgang E der Geschwindigkeitsschaltung 7c verbunden, und der andere Eingang dieses Gatters ist über das NICHT-Gatter 124 mit dem Ausgang A der Vergleicherschaltung 7a verbunden. Der Ausgang des ODER-Gatters 125 ist mit einem Eingang P eines reversierbaren Schieberegisters 7e verbunden. Einer der Eingänge des ODER-Gatters 126 ist mit dem Ausgang B des Impulsgenerators 7b verbunden, und ein anderer Eingang des ODER-Gatters 126 ist mit dem Ausgang F des Ventilstellungsfühlers 13 verbunden. Dieser Ventilstellungsfühler 13 umfaßt einen Schalter 13a, der geöffnet bzw. ausgeschaltet wird, wenn das Bypassventil 12 vollständig geschlossen ist. Der dritte Eingang des ODER-Gatters 126 ist mit dem Ausgang A der Vergleicherschaltung 7a verbunden. Der Ausgang des ODER-Gatters 126 ist mit einem Eingang C des reversierbaren Schieberegisters 7e verbunden.

7 0 t8 A 3 / 0 8 7 U

Das reversierbare Schieberegister 7e ist so ausgebildet, daß dann, wenn die Impulssignale am Eingang P anliegen, die Ausgänge Q., Q₂, Q und Q. des Schieberegisters nacheinander in der genannten Reihenfolge angesteuert bzw. "verschoben" werden, wogegen dann, wenn die Impulssignale an den Eingang C angelegt werden, die Ausgänge Q₄, Q,, Q„ und Q. nacheinander in der zuletztgenannten Reihenfolge angesteuert werden. Die Ausgänge Q₁, Q_, Q, und Q. sind mit einem Schalterkreis 7f verbunden, der Widerstände 127, 128, 129 und 130, Transistoren 131, 132, 133 und 134 sowie Dioden 135, 136, 137 und 138 umfaßt, die die gegenelektromotorische Kraft absorbieren bzw. unterdrücken. An den Schalterkreis 7f sind Feldspulen C₁, C_, C, und C. des Schrittmotors 8 angeschlossen. Wenn die Impulssignale an den Eingang P des reversierbaren Schieberegisters 7e angelegt werden, werden die Transistoren 131, 132, 133 und 134 nacheinander leitend bzw. "geöffnet", so daß die Feldspulen C , C-, C₃ und C. des Schrittmotors 8 nacheinander jeweils für zwei Phasen erregt werden, wodurch der Schrittmotor 3 eine Drehung in Richtung des Pfeiles ausführt. Wenn der Schrittmotor 8 in Richtung des Pfeiles dreht, wird das Bypassventil 12 in Öffnungsrichtung angetrieben. Wenn dagegen die Impulssignale an den Eingang C des reversierbaren Schieberegisters 7e angelegt werden, dreht der Schrittmotor in zur Pfeilrichtung entgegengesetzter Richtung, so daß das Bypassventil 12 in Schließrichtung angetrieben wird. Es versteht sich, daß dann, wenn die Frequenz der an den Eingang P des reversierbaren Schieberegisters 7e angelegten Impulssignale niedriger als die der an den anderen Eingang C angelegten Impulssignale ist, der Betrag der Drehzahl des Schrittmotors 8 in Pfeilrichtung geringer ist als der der Drehzahl in entgegengesetzter Richtung. Die Spannung an der Batterie B wird über einen Zündschalter KS der Brennkraftmaschine 3 an die Steuereinheit 7 und den Schrittmotor 8 angelegt.

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Die in vorstehend beschriebener Weise aufgebaute Einstellvorrichtung arbeitet wie folgt. Wenn die vom Luftverhältnisfühler 6 erzeugte EMK höher als die vorgegebene Spannung V ist, ermittelt daraus die Vergleicherschaltung 7a, daß

das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine 3 zugeführten Gemische gering ist, so daß am Ausgang A eine logische "1" erscheint.

Diese logische "1" wird vom NICHT-Gatter 124 invertiert und als logische "0" auf den Eingang des ODER-Gatters125 gegeben. Dadurch wird das ODER-Gatter 125 geöffnet, so daß die am Ausgang E der Geschwindigkeitsschaltung 7c vorliegenden Impulssignale auf den Eingang P des reversierbaren Schieberegisters 7e durch das ODER-Gatter 125 als Ausgangssignale der Befehlsschaltung 7d gegeben werden. Dies hat zur Folge, daß der Schrittmotor 8 in Pfeilrichtung dreht und daß die Öffnung des Bypassventils 12 vergrößert wird, was wiederum zur Folge hat, daß die Menge in das Hauptsaugrohr 1a stromab der Drosselklappe 10 eingeleiteter Zusatzluft entsprechend der Öffnung des Bypassventils 12 zunimmt, wodurch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine 3 zugeführten Gemische erhöht wird. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel hängt die Laufgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Schrittmotors 8 von der Frequenz der vom Impulsgenerator 7b erzeugten Impulssignale ab. Wenn die Brennkraftmaschine 3 kalt ist und die Kühlwassertemperatur unter T₁ liegt, wie dies beispielsweise bei einem Kaltstart der Fall ist, wird der Schrittmotor 3 mit Impulssignalen der Frequenz f_D angesteuert, so daß die Öffnungsgeschwindigkeit des Bypassventils 12 sehr klein ist bzw. die Änderung der Menge zugeführter Zusatzluft sehr langsam erfolgt. Wenn andererseits die Kühlwassertemperatur über T. und unter T_ liegt, wie dies beispielsweise während des Warmlaufens der Brennkraftmaschine der Fall ist, wird der Schrittmotor 8 von Impulssignalen mit der Frequenz f-, angesteuert, so daß die Änderung der Menge

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zugeführter Zusatzluft noch verhältnismäßig langsam erfolgt, jedoch schneller als während des Zustandes, während dessen die Kühlwassertemperatur unter T₁ lag. Wenn die Kühlwassertemperatur über T„ liegt, wird der Schrittmotor 8 mit Impulssignalen der Frequenz f angesteuert, so daß die Änderung der Menge zugeführter Zusatzluft mit der größten Geschwindigkeit erfolgt, die auch gleichzeitig die Änderungsgeschwindigkeit im Normalbetrieb ist.

Wenn die Menge von Zusatzluft vergrößert wird, so daß die EMK des Luftverhältnisfühlers 6 kleiner als die vorgegebene Spannung V wird, liefert die Vergleicherschaltung 7a als Ausgangsignal eine logische "0". Wenn zu diesem Zeitpunkt das Bypassventil 12 nicht vollständig geschlossen ist, liefert der Ventilstellungsfühler 13 an seinem Ausgang F eine logische "0", die auf das ODER-Gatter 126 gelangt. An zwei von den drei Eingängen des ODER-Gatters 126 liegt daher eine logische "0" an, so daß die Befehlsschaltung 7d die Impulssignale mit der Frequenz f_o, die am Ausgang B des Impulsgenerators 7b vorliegen, über das ODER-Gatter an den Eingang C des reversierbaren Schieberegisters 7e liefert. Dies hat zur Folge, daß der Schrittmotor 8 mit normaler Drehzahl entgegen der Pfeilrichtung dreht, wodurch das Bypassventil 12 in Schließrichtung angetrieben wird.

Dadurch wird die Menge stromab der Drosselklappe 10 zugeführter Zusatzluft schnell verringert, wodurch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine 3 zugeführten Gemischs ebenfalls verringert wird. Wenn das Bypassventil 12 dabei in seine vollständig geschlossene Stellung gebracht wird, wird der Schalter 13a des Ventilstellungsfühlers 13 geöffnet, so daß am Ausgang F eine logische "1" erscheint. Daher liefert das ODER-Gatter 126 ständig eine logische "1", so daß die Verstellung des Bypassventils 12 beendet wird und dadurch verhindert wird, daß das Bypassventil weiter in Schließrichtung angetrieben wird und

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-19- 4^716151

dadurch möglicherweise das Bypassventil 12 und der Schrittmotor 8 beschädigt werden. Da bei der Verringerung der Menge der Zusatzluft die Stellgeschwindigkeit des Bypassventils 12 immer durch Impulssignale mit der Frequenz f_ bestimmt ist, ist die Änderungsgeschwindigkeit bei der Verringerung der Zusatzluftmenge größer oder gleich der Änderungsgeschwindigkeit bei der Vergrößerung der Zusatzluftmenge.

In Fig. 4 sind für einen Wert der Kühlwassertemperatur unterhalb von T₁ die Verläufe des Luftverhältnisses \ des Abgases im Abgaskrümmer 4, des Ausgangssignals des Luftverhältnisfühlers 6 und der von der Zusatzlufteinstelleinrichtung eingestellten Zusatzluftmenge während der vorstehend beschriebenen Vorgänge dargestellt. Gestrichelt sind die entsprechenden Verläufe für den Fall dargestellt, daß die Kühlwassertemperatur oberhalb von T_ liegt. Die Zusatzluftmenge nimmt zu während der Zeit, während der das Luftverhältnis X kleiner als 1 ist, d.h. während das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs kleiner als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Die Menge der Zusatzluft wird verringert während der Zeit, während der das Luftverhältnis X größer als 1 ist. Wenn die Kühlwassertemperatur oberhalb von T_ liegt, so daß die Vergrößerung und Verringerung der Zusatzluftmenge mit gleicher Geschwindigkeit erfolgt, wird das Luftverhältnis im Mittel auf den Wert Tv = 1 eingesteuert, d.h. durch die Regelung bzw. automatische Steuerung wird das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt.

Wenn andererseits das Bypassventil 12 von der Steuereinheit 7 so betrieben wird, daß die Öffnungsgeschwindigkeit kleiner als die Schließgeschwindigkeit ist, wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn die Kühlwassertemperatur unter T₁ liegt, ist die Änderungsgeschwindigkeit bei der Erhöhung der

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Zusatzluftmenge geringer als bei der Verringerung der Zusatzluftmenge. Dies hat zur Folge, daß das Luftverhältnis Λ. im Mittel auf einen Wert kleiner 1 gesteuert wird, d.h. daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs auf einen Wert gesteuert wird, der kleiner als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.

Die Öffnungsgeschwindigkeit des Bypassventils bei einer Kühlwassertemperatur unterhalb von T- unterscheidet sich auch von der Öffnungsgeschwindigkeit bei einer Kühlwassertemperatur im Bereich oberhalb von T. und unterhalb von T_; die Öffnungsgeschwindigkeit bei einer Kühlwassertemperatur unterhalb von T. ist nämlich geringer als im letztgenannten Fall. Das Gemisch ist somit verhältnismäßig fett, wenn die Kühlwassertemperatur unterhalb von T₁ liegt.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, erreicht das Luftverhältnis seine Maxima und Minima um die Zeit T später, als die Zusatzluftmenge ihre Maxima und Minima erreicht. Der Grund dafür liegt darin, daß die Verzögerungszeit T verstreicht, bis das durch Zufuhr von Zusatzluft stromab der Drosselklappe 10 eingestellte Gemisch in die Brennkraftmaschine 3 eingesaugt, in dieser verbrannt und an den Abgaskrümmer 4 abgegeben worden ist.

Auf vorstehend beschriebene Weise wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs entsprechend der Kühlwassertemperatur oder dem Aufwärmzustand der Brennkraftmaschine 3 gesteuert, wodurch verhindert wird, daß das Gemisch während des Warmlaufens der Brennkraftmaschine 3 zu mager wird. Dadurch wird auch während des Warmlaufens zuverlässiger Betrieb der Brennkraftmaschine 3 erreicht, was beispielsweise bedeutet, daß es nicht zu Fehlzündungen kommt und daß die Brennkraftmaschine nicht stehenbleibt.

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Nachdem die Brennkraftmaschine 3 warmgelaufen ist, wird das Gemisch auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, so daß die Abgagsvom katalytischen Wandler 5 mit größerer Wirksamkeit gereinigt werden. 5

Bei der vorstehend beschriebenen AusfiSirungsform wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs während des Warmlaufens der Brennkraftmaschine 3 nacheinander auf drei verschiedene Werte gesteuert. Noch wirksamer ist eine kontinuierliche Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gemischs entsprechend dem Aufwärmzustand der Brennkraftmaschine 3, wie dies bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, die im folgenden beschrieben wird.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung ausschnittsweise dargestellt. Diese Ausführungsform weist einen Aufwärmfühler 14' auf, der einen Kühlwasserdetektor 14e sowie einen festen Widerstand 14f umfaßt. Der Kühlwasserdetektor 14e besteht aus einem Thermistor oder dergleichen, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert und der in der Kühlwasserleitung angeordnet ist. Die Ausgangsspannung am Ausgang G des Aufwärmfühlers 14' sinkt mit fallender Kühlwassertemperatur und steigt mit steigender Kühlwassertemperatur.

Eine Geschwindigkeitsschaltung 7c¹ der Ausführungsform gemäß Fig. 5 umfaßt einen VF-Wandler 150, d.h. einen Wandler mit variablem Frequenzausgang. Dabei kann es sich beispielsweise um den Typ CD 4046A von RCA handeln. Der VF-Wandler 150 liefert Impulssignale mit einer Frequenz, die der angelegten Eingangspannung entspricht. Die Geschwindigkeitsschaltung 7c' umfaßt ferner einen Widerstand 151 zur Festlegung des Frequenzbereichs der Ausgangsimpulse des VF-Wandlers 150, einen Kondensator 152 sowie einen Widerstand

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zum Einstellen der unterdrückten Impulsfrequenzen des VF-Wandlers 150.

Der VF-Wandler 150 hat eine solche Kennlinie, daß die Ausgangsfrequenz des Impulssignals mit steigender Eingangsspannung steigt, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Der VF-Wandler 150, dessen Eingang VFin an den Ausgang G des Aufwärmfühlers 14' angeschlossen ist, liefert somit an seinem Ausgang VFout Impulssignale mit einer Frequenz, die im wesentlichen proportional zur Kühlwassertemperatur der Brennkraftmaschine 3 ist. Diese Impulssignale gelangen über den Ausgang E der Geschwindigkeitsschaltung 7c¹ zur Befehlsschaltung 7d.

Die Öffnungsgeschwindigkeit des Bypassventils 12, die von den vom VF-Wandler 150 erzeugten Impulssignalen abhängt, ändert sich somit mit der Kühlwassertemperatur, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, und wird entsprechend dem Aufwärmzustand der Brennkraftmaschine 3 gesteuert. Bei dieser Ausführungsform muß die am Ausgang B des Impulsgenerators 7b vorliegende Impulsfrequenz so gewählt werden, daß sie gleich der maximalen Impulsfrequenz des VF-Wandlers 150 ist, so daß die Öffnungsgeschwindigkeit des Bypassventils gleich der Schließgeschwindigkeit ist, wenn die Brennkraftmaschine 3 aufgewärmt ist. Bei dieser Ausführungsform braucht der Impulsgenerator 7b lediglich einen Oszillator zu haben. Die übrigen Elemente der Steuereinheit für die Ausführungsform gemäß Fig. 5 werden nicht erneut erläutert, da sie gleich denen der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen müssen das Verhältnis zwischen der Öffnungsgeschwindigkeit und der Schließgeschwindigkeit des Bypassventils 12 während des Warmlaufens und die Einstellungen der Aufwärmfühler 14 bzw. 14'

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und des Impulsgenerators 7b sowie der Geschwindigkeitsschaltung 7c bzw. 7c' so gewählt werden, daß sie den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 3 während des Warmlaufens angepaßt sind.
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Mittels der erfindungsgemäßen Einstellvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird über eine Zusatzluftleitung mit einem Bypassventil Zusatzluft in die Hauptluftleitung bzw. das Hauptsaugrohr einer Brennkraftmaschine stromab der Drosselklappe eingeleitet. Die Zusatzluftmenge wird durch das öffnen oder Schließen des Bypassventils gesteuert. Die Drehrichtung des Schrittmotors zum Antrieb des Bypassventils wird entsprechend dem Ausgangssignal eines Luftverhältnisfühlers gesteuert, der in der Abgasanlage des Motors montiert ist. Ferner wird die Drehzahl bzw. Drehgeschwindigkeit des Schrittmotors während des Warmlaufens der Brennkraftmaschine entsprechend deren Betriebszustand gesteuert.

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Claims

Patentansprüche

Einstellvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für eine Brennkraftmaschine mit einer Hauptluftliefereinrichtung, die ein der Brennkraftmaschine zuzuführendes Luft-Kraftstoff-Gemisch aufbereitet und eine Drosselklappe umfaßt, sowie einer Abgasanlage zum Abführen der Abgase, gekennzeichnet durch einen Luftverhältnisfühler (6), der in der Abgasanlage (4) angeordnet ist und aus dem Sauerstoffgehalt des Abgases das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs ermittelt, eine Zusatzluftliefereinrichtung (11, 12) mit einem Bypassventil (12), die Zusatzluft in die Hauptluftliefereinrichtung stromab der Drosselklappe (10) liefert, wobei die Menge der Zusatzluft dem Ausmaß der öffnung des 3ypassventils entspricht, eine mit dem Bypassventil verbundene Antriebseinrichtung (8) zum Verstellen des Bypassventils, einen Aufwärmfühler (14, 14') zum Ermitteln des Aufwärmzustandes der Brennkraftmaschine (3), der ein Zustandssignal liefert, und eine Steuereinheit (7), die mit dem Luftverhä]tnisfühler, der Antriebseinrichtung für das Bypassventil und dem Aufwärmfühler verbunden ist und die die Antriebseinrichtung für das Bypassventil so steuert, daß das Bypassventil mit einer sich in Abhängigkeit vom Zustandssignal ändernden Geschwindigkeit und in solcher Richtung verstellt wird, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs auf einem bestimmten Wert gehalten wird.
2. Einstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufwärmfühler (14) Thermoschalter (14a, 14c) umfaßt, die an solcher Stelle an die Brennkraftmaschine (3) angeschlossen sind, daß sie die

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Kühlwassertemperatur der Brennkraftmaschine feststellen können.
3. Einstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (7) ein reversierbares Schieberegister (7e) umfaßt, das ein Schiebeimpulssignal liefert, dessen Frequenz proportional zu dem eines angelegten Eingangssignals ist, und daß die Antriebseinrichtung für das Bypassventil einen mit dem Bypassventil (12) gekoppelten Schrittmotor (8) umfaßt, der an das Schieberegister angeschlossen ist und auf das Schiebeimpulssignal in der Weise reagiert, daß er das Bypassventil mit einer Geschwindigkeit verstellt, die proportional zur Frequenz des Schiebeimpulssignals ist.
4. Einstellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (7) ferner umfaßt mehrere Oszillatoren (105 bis 108, 109 bis 112, 113 bis 116), die Schwingungssignale liefern, deren Frequenzen sich voneinander unterscheiden, eine Geschwindigkeitsschaltung (7c), die die Öffnungsgeschwindigkeit des Bypassventils auswählt und an den Aufwärmfühler (14), die Oszillatoren (105 bis 108, 109 bis 112, 113 bis 116) und das reversierbare Schieberegister (7e) angeschlossen ist und auf das Zustandssignal in der Weise anspricht, daß sie eines der Schwingungssignale auswählt und das ausgewählte Schwingungssignal auf das reversierbare Schieberegister gibt, eine Vergleicherschaltung (7a), die an den Luftverhältnisfühler {6 ) angeschlossen ist, die einen Spannungsvergleicher (104) sowie einen Spannungsteiler (102, 103) umfaßt und die die Ausgangsspannung des Luftverhältnisfühlers mit einer vom Spannungsteiler gelieferten Bezugsspannung vergleicht, wobei die

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Vergleicherschaltung ein Vergleichssignal liefert, dessen Spannungswert sich ändert, wenn eine der verglichenen Spannungen die andere übersteigt, und eine Befehls- bzw. Richtungsschaltung (7d), die mit der Vergleicherschaltung (7a), der Geschwindigkeitsschaltung (7c), einem der Oszillatoren (1C5 bis 108) und dem Schieberegister (7e) verbunden ist und die auf das Vergleichssignal in der Weise anspricht, daß sie entweder das von der Geschwindigkeitsschaltung ausgewählte Schwingungssignal oder das von dem einen der Oszillatoren gelieferte Schwingungssignal zum Schieberegister durchläßt, wobei das Schieberegister rückwärts läuft, wenn es mit dem Schwingungssignal des einen Oszillators gespeist wird.
5. Einstellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (7) umfaßt eine Geschwindigkeitsschaltung (7c¹) mit einem Spannungs-Frequenz-Wandler (150), die mit dem Aufwärmfühler (14') und dem Schieberegister (7e) verbunden ist und die am Ausgang ein Schwingungssignal liefert, das auf das Schieberegister gegeben wird und dessen Frequenz dem Zustandssignal entspricht, einen Oszillator (105 bis 108), der ein Schwingungssignal mit konstanter Frequenz liefert, eine Vergleicherschaltung (7a), die an den Luftverhältnisfühler (6) angeschlossen ist, die einen Spannungsvergleicher (104) sowie einen Spannungsteiler (102, 103) umfaßt und die die Ausgangsspannung des Luftverhältnisfühlers mit einer vom Spannungsteiler gelieferten Bezugsspannung vergleicht, wobei die Vergleicherschaltung ein Vergleichssignal liefert, dessen Spannungswert sich ändert, wenn eine der verglichenen Spannungen die andere übersteigt, und eine Befehls- bzw. Richtungsschaltung (7d), die die Stellrichtung des Bypassventils auswählt und mit der

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Vergleicherschaltung (7a), der Geschwindigkeitsschaltung (7c¹) dem Konstantfrequenzoszillator (105 bis 108) sowie dem Schieberegister (7e) verbunden ist und auf das Vergleichssignal in der Weise anspricht, daß sie entweder das von der Geschwindigkeitsschaltung gelieferte Schwingungssignal mit variabler Frequenz oder das vom Konstantfrequenzoszillator gelieferte Schwingungssignal mit konstanter Frequenz zum Schieberegister durchläßt, wobei das Schieberegister rückwärts läuft, wenn es mit dem Schwingungssignal mit konstanter Frequenz beaufschlagt wird.
6. Einstellvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Konstantfrequenz-Oszillators (105 bis 108) der höchsten Schwingungsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Wandlers (150) der Geschwindigkeitsschaltung (7c¹) entspricht.
7. Einstellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitsschaltung (7c) UND-Gatter (118, 120, 122) sowie ein mit den UND-Gattern verbundenes ODER-Gatter (123) umfaßt, wobei jedes der UND-Gatter mit jeweils einem der Oszillatoren (105 bis 108, 109 bis 112, 113 bis 116) verbunden ist.
8. Einstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befehls- bzw. Richtungsschaltung (7d) umfaßt ein erstes ODER-Gatter (125), dessen Eingänge mit der Geschwindigkeitsschaltung (7c, 7c¹) und der Vergleicherschaltung (7a) verbunden sind und dessen Ausgang mit dem Schieberegister (7e) verbunden ist, sowie ein zweites ODER-Gatter (126), das einen Eingang aufweist, der mit der Vergleicherschaltung verbunden ist, sowie einen weiteren Eingang, der mit einem der Oszillatoren (105 bis 108, 109 bis 112,

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113 bis 116) bzw. dem Konstantfrequenzoszillator (105 bis 108) verbunden ist und dessen Ausgang mit dem Schieberegister verbunden ist.
9. Einstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung für das Bypassventil (12) einen Schalter (13a) umfaßt, der mit dem Bypassventil (12) verbunden ist und an die Befehls- bzw. Richtungsschaltung (7d) angeschlossen ist, wobei dieser Schalter in der Weise arbeitet, daß er verhindert, daß die Richtungsschaltung das ausgewählte Schwingungssignal bzw. das Schwingungssignal mit variabler Frequenz zum Schieberegister (7e) durchläßt, wenn das Bypassventil vollständig geschlossen ist.

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