DE2716353A1

DE2716353A1 - Steuervorrichtung fuer das luft- kraftstoff-verhaeltnis fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2716353A1
Application number: DE19772716353
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: 1976-05-13
Filing date: 1977-04-13
Publication date: 1977-11-17
Also published as: GB1542015A; DE2716353C2; US4164914A

Description

TlEDTKE - BüHLING - KlNNE - GhUI'E Patentanwälte:

Dipl.-Ing. Tiedtke Dipl.-Chem. Bühling Dipl.-Ing. Kinne Dipl.-Ing. Grupe

Bavariaring 4, Postfach 20 24 03 8000 München 2

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

Telex: 5 24 845tipat

cable. Germaniapatent München

13. April 1977

B 8065/Λ2194-03 Soken

NIPPON SOKEN, INC. Nishio-shi, Japan

TOYOTA JIDOSHA KOGYO KABUSHIKI KAISHA Toyota-shi, Japan

Steuervorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für eine Brennkraftmaschine

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Dresdner Bank (München) Kto. 3939 S44

Postscheck (München) Kto. 670-43-804

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Luft-Kraftstoff -Gemischs, das einer Brennkraftmaschine zugeführt wird, die zumindest einen Brennraum, eine Ansaugleitung, durch die das Gemisch dem Brennraum zugeführt wird, ein Auspuffrohr zur Ableitung von Abgas aus dem Brennraum zur Atmosphäre, einen Vergaser in der Ansaugleitung zur Erzeugung des Luft-Kraftstoff-Gemischs und eine Drosselklappe umfaßt., die schwenkbar in der Ansaugleitung stromab des Vergasersangeordnet ist und die Strömung des Gemischs in der Ansaugleitung zum Brennraum steuert.

Um den amtlichen Vorschriften hinsichtlich der Abgasemission von Brennkraftmaschinen zu entsprechen, sind in jüngerer Zeit zahlreiche konstruktive Verbesserungen an Brennkraftmaschinen vorgenommen worden. Eine dieser Verbesserungen besteht in einem katalytischen Abgasreaktor, der im Auspuffrohr der Brennkraftmaschine angeordnet ist und die Aufgabe hat, die Abgas der Brennkraftmaschine katalytisch zu reinigen. Damit die konstruktiven Verbesserungen sich möglichst günstig auswirken können, bzw. damit der Abgasreaktor unter günstigsten Betriebsbedingungen arbeiten kann, ist es notwendig, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs richtig zu steuern. Ein bekanntes Verfahren zur Befriedigung dieser Anforderung besteht darin, den Sauerstoffgehalt des Abgases der Brennkraftmaschine festzustellen und ein entsprechendes Signal an eine elektronische Steuereinheit zu liefern. Aus diesem Eingangssignal ermittelt die Steuereinheit das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs und steuert ein in einer Ausgleichsbzw. Zusatzluftleitung angeordnetes Luftventil so, daß die freie Durchflußfläche dieser Leitung verändert wird, um die durch diese Leitung dem Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführte Zusatzluftmenge so zu verändern, daß das

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den Brennräumen zugeführte Gemisch des richtige Luft-Kraftstoff-Verhältnis hat.

Die herkömmliche Steuervorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist so ausgebildet, daß die Zusatzluft durch die Zusatzluftleitung, die am Vergaser und der Drosselklappe vorbeiführt, in die Ansaugleitung der Brennkraftmaschine stromab der Drosselklappe eingeleitet wird. Aufgrund dieser Ausbildung wird die Menge der zugeführten Zusatzluft durch den Ansaugleitungsunterdruck beeinflußt. Da nämlich der Ansaugleitungsunterdruck bei Betriebszuständen mit geringer Belastung der Brennkraftmaschine stärker ist und bei Betriebszuständen mit starker Belastung der Brennkraf tmaschine niegrider ist, kann mit der herkömmliehen Steuervorrichtung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nur dann richtig gesteuert werden, wenn das Bypassventil in der Zusatzluft- bzw. Bypassleitung bei geringer Belastung nur wenig geöffnet ist und bei starker Belastung weit geöffnet ist. Bei der herkömmlichen Steuervorrichtung wird das Bypassventil in der Bypassleitung etwas geöffnet gehalten, wenn die Brennkraftmaschine in einem Übergangsbereich arbeitet, beispielsweise wenn die Brennkraftmaschine von geringer Last zu starker Last übergeht, was den Nachteil hat, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs unter einen vorgegebenen richtigen Wert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verringert wird, so daß die Brennkraftmaschine während des gesamten Betriebs im Übergangsbereich dauernd mit einem fetten Gemisch gespeist wird. Wenn sich andererseits der Betriebszustand der Brennkraftmaschine von schwerer Last zu geringer Last ändert, wird das Bypassventil in der Bypassleitung weit geöffnet gehalten, was den Nachteil zur Folge hat, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einem höheren als dem vorgegebenen Wert gehalten v/ird, so daß die Brennkraftmaschine mit einem mageren Gemisch gespeist wird. Das Luft-Kraftstoff-Ver-

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hältnis des Gemischs wird dabei weit über das vorgegebene Verhältnis verändert. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird in einem Bereich verändert, der wesentlich größer ist als ein vorgegebener Bereich, der für optimale Abgasreinigung durch den katalytischen Reaktor am geeignetsten ist. Ferner ist zu berücksichtigen, daß dann, wenn eine Brennkraftmaschine mit der herkömmlichen Steuervorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, die starken Regelschwankungen der Brennkraftmaschine zu einer entsprechenden Verschlechterung der Betriebseigenschaften des Kraftfahrzeugs führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die die vorbeschriebenen Schwierigkeiten und Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Luftverhältnisfühleinrichtung, die im Auspuffrohr angeordnet ist und den Sauerstoffgehalt des durch das Auspuffrohr strömenden Abgases zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des dem Brennraum zugeführten Gemischs ermittelt, eine am Vergaser und der Drosselklappe vorbeiführende Bypassleitung, deren stromab gelegenes Ende in die Ansaugleitung stromab der Drosselklappe mündet und durch die Zusatzluft in die Ansaugleitung eingeleitet wird, ein in der Bypassleitung angeordnetes Bypassventil zur Steuerung der freien Durchflußfläche der Bypassleitung,durch die die Zusatzluft zur Ansaugleitung stromab der Drosselklappe strömen kann, eine mit dem Bypassventil in Antriebsverbindung stehende Einrichtung, die in funktionaler Verbindung mit der Luftverhältnisfühleinrichtung steht und zum Verstellen des Bypassventils in der Weise dient, daß die freie Durchflu3flache der Bypassleitung zunimmt, Wenn das festgestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis unterhalb eines

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bestimmten Wertes liegt, und einen Druckregler zur Regelung des Drucks in der Bypassleitung stromab des Bypassventils in der Weise, daß dieser Druck im wesentlichen auf einem gewünschten Wert gehalten wird, so daß die Zufuhr von Zusatzluft durch die Bypassleitung in die Ansaugleitung genau in Abhängigkeit von Änderungen der freien Durchflußfläche der Bypassleitung und unabhängig von Änderungen des Drucks in der Ansaugleitung stromab der Drosselklappe gesteuert wird.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung wird der Druckunterschied am Bypassventil im wesentlichen konstant gehalten, so daß die Zufuhr von Zusatzluft zum vom Vergaser aufbereiteten Luft-Kraftstoff-Gemisch nicht vom Ansaugunterdruck der Brennkraftmaschine beeinflußt wird und somit unter allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine im wesentlichen proportional zur angesaugten Luftmenge ist.

Das Bypassventil kann als Ventil mit einer Ventilklappe ausgebildet sein, die drehbar in der Bypassleitung angeordnet ist. Die Einrichtung zum Antrieb des Bypassventils umfaßt vorzugsweise einen Schrittmotor, der elektronisch von einer Steuerschaltung angesteuert wird, die ihrerseits auf ein Signal von der Luftverhältnisfühleinrichtung anspricht. Alternativ kann das Bypassventil eine variable Durchflußöffnung aufweisen, die von einem Ventilsitz in der Bypassleitung stromauf des Druckreglers sowie einem Nadelventil begrenzt wird, das dem Ventilsitz wirkungsmäßig zugeordnet ist. Vorzugsweise wird das !Nadelventil von einem pneumatischen Ventilantrieb angetrieben, der auf Änderungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und auch der angesaugten Luftmenge anspricht.

Der Druckregler umfaßt vorzugsweise eine variable Durchflußöffnung, die von einem Ventilsitz in der Bypassleitung

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stromab des Bypassventils sowie einem dem Ventilsitz wirkungsmäßig zugeordneten Nadelventil begrenzt wird. Das Nadelventil ist so verstellbar, daß die freie Durchflußfläche der variablen Durchflußöffnung dadurch geändert wird. Vorzugsweise wird das Nadelventil von einem pneumatischen Ventilantrieb verstellt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung spricht der Ventilantrieb auf Änderungen des Ansaugunterdrucks in der Weise an, daß das Nadelventil so verstellt wird, daß der Druckunterschied in der Bypassleitung am Bypassventil im wesentlichen konstant gehalten wird, so daß die Zufuhr von Zusatzluft durch die Bypassleitung in die Ansaugleitung stromab der Drosselklappe nicht vom Ansaugunterdruck beeinflußt wird.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen sowie der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise schematische Darstellung einer

Brennkraftmaschine mit einer Steuervorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine vergrößerte ausschnittsweise Schnittdarstellung der Steuervorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung einer Abwandlung der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine den Fig. 2 und 3 entsprechende Darstellung einer weiteren Abwandlung der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2; und

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Fig. 5 eine ausschnittsweise schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine herkömmliche Brennkraftmaschine 10 dargestellt, bei der es sich beispielsweise um einen 4-Takt-Hubkolbenmotor handeln kann und die einen Brennraum 12, eine Ansaugleitung 14 sowie ein Auspuffrohr 16 umfaßt. Die Ansaugleitung 14 umfaßt einen Luftfilter 18, einen Vergaser 20 stromab des Luftfilters 18, eine Drosselklappe 22 stromab des Vergasers 20 sowie einen Ansaugkrümmer 24 stromab der Drosselklappe 22. Die Drosselklappe 22 kann in bekannter Weise von einer Bedienperson betätigt werden. Der Vergaser 20 ist herkömmlich aufgebaut und umfaßt einen Lufttrichter bzw. eine Mischkammer 20', in die Luft vom Luftfilter 18 sowie Kraftstoff aus einem nicht dargestellten Kraftstoffsystem eingeleitet werden und in der ein Luft-Kraftstoff-Gemisch aufbereitet wird. Der Vergaser 20 ist so eingestellt, daß das von ihm aufbereitete Luft-Kraftstoff-Gemisch etwas fetter ist, als es zum Betrieb des Motors erforderlich ist. Die durch die Verbrennung im Brennraum erzeugten Abgase treten aus dem Brennraum in das Auspuffrohr 16 aus, in dem sich ein katalytischer Wandler 26 befindet, der die Abgase reinigt, bevor sie vom Auspuffrohr an die umgebende Atmosphäre abgegeben werden.

Die Brennkraftmaschine 10 ist mit einer Steuervorrichtung ausgerüstet, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs steuert, bevor dieses in den Brennraum 12 eingeleitet wird. Die Steuervorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist insgesamt mit dem Bezugszeichen bezeichnet und umfaßt einen Luftverhältnisfühler 102, der am Auspuffrohr 16 angebracht ist und aus dem Sauerstoffgehalt des durch das Auspuffrohr 16 strömenden Abgases das Luftverhältnis bzw. das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs ermittelt. Bei dem Luftverhältnisfühler 102 handelt

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es sich um einen herkömmlichen Luftverhältnisfühler, der ein Metalloxid wie beispielsweise Zirkondioxid oder Titandioxid enthält und ein elektrisches Signal liefert, das dem ermittelten Luftverhältnis entspricht. Dieses Signal gelangt über eine Leitung 104 zu einer Steuerschaltung 106. Die Steuerschaltung 106 hat herkömmlichen Aufbau, wie er beispielsweise in der US-amerikanischen Patentanmeldung Nr. 475 917 vom 3. Juni 1974 beschrieben ist. Die Steuerschaltung 106 umfaßt eine Spannungsvergleicherschaltung, einen Impulsgenerator, eine logische Befehlsschaltung, ein reversierbares Schieberegister usw., wobei diese Bestandteile der Steuerschaltung in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Die Steuerschaltung 106 ist über eine Leitung 108 elektisch mit einem Schrittmotor 110 verbunden und spricht auf das Signal vom Luftverhältnisfühler 102 in der Weise an, daß sie die Drehrichtung des Schrittmotors 110 und dessen Drehwinkel bestimmt, d.h. den Schrittmotor 110 geeignet steuert.

Ferner umfaßt die Steuervorrichtung 100 eine Zusatzluftleitung bzw. Bypassleitung 112, die an der Mischkammer 20' des Vergasers 20 sowie der Drosselklappe 22 so vorbeiführt, daß ein Teil der Luft aus dem Luftfilter 18 stromauf der Mischkammer 20' aus der Ansaugleitung 114 abgezweigt wird, durch die Bypassleitung 112 strömt und dann stromab der Drosselklappe 22 wieder in die Ansaugleitung 14 einströmt, so daß das vom Vergaser 20 aufbereitete Luft-Kraftstoff-Gemisch so verdünnt wird, daß es ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis hat, das für den Betrieb der Brennkraftmaschine geeignet ist. Diese durch die Bypassleitung 112 geführte Luft wird als Ausgleichsluft oder Zusatzluft bezeichnet. In der Bypassleitung 112 befindet sich ein Zusatzluftventil bzw. Bypassventil 114, das die freie Durchflußfläche der Bypassleitung 112, durch die die Zusatzluft strömen kann, steuert bzw. verändert. Bei der dargestellten Ausführungs-

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form ist das Bypassventil 114 als Klappenventil ausgebildet, das eine in der Bypassleitung 112 angeordnete drehbare Klappe umfaßt, die in Antriebsverbindung mit dem Schrittmotor 110 steht, so daß sie vom Schrittmotor angetrieben bzw. gedreht werden kann. In der Bypassleitung 112 befindet sich stromab des Bypassventils 114 ein Druckregler 116, der den pneumatischen Druck in der Bypassleitung 112 an einer Stelle A zwischen dem Bypassventil 114 und dem Druckregler 1 1 6 steuert.
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Im folgenden wird unter Bezugsnahme auf Fig. 2 der Druckregler 116 ausführlicher erläutert. Dieser umfaßt ainen Ventilsitz 118, der in der Bypassleitung 112 stromab des Bypassventils 114 ausgebildet ist. Verstellbar in der Bypassleitung 112 ist ein Nadelventil 120 mit einem Ventilschaft 122 so angeordnet, daß dieses Nadelventil mit dem Ventilsitz 118 zusammenwirkt und eine variable Durchflußöffnung 124 definiert. Der Ventilschaft 122 ist verschiebbar durch die Wand der Bypassleitung 112 in ein im wesentlichen geschlossenes Gehäuse 126 geführt, das an der Wand des Rohres oder dergleichen montiert ist, das die Bypassleitung 112 bildet. Quer im Inneren des Gehäuses 126 ist eine Membran 128 gespannt, die in Verbindung mit dem Gehäuse eine Druckkammer 132 sowie eine Druckkammer definiert. Die Druckkammer 132 ist über ein Entlüftungsloch 132' im Gehäuse 126 zur Atmosphäre entlüftet. Die andere Druckkammer 134 steht über eine öffnung 134', die durch die aneinander angrenzenden Wände der Bypassleitung 112 und des Gehäuses 126 verläuft, in Verbindung mit der Bypassleitung 112 nahe dem Punkt A. Das äußere Ende des Ventilschaftes 122 verläuft durch die Druckkammer 134 und ist an der Membran 128 befestigt. In der Kammer 134 befindet sich eine als Schraubenfeder ausgebildete Druckfeder 136, die um den Ventilschaft 122 herum angeordnet ist und sich auf der Membran 128 sowie der an der Bypassleitung 112

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liegenden Wand des Gehäuses 126 abstützt.

Wenn die Brennkraftmaschine 10 angelassen wird oder gerade angelassen worden ist, schließt das Bypassventil 114 die Bypassleitung 112 vollständig aufgrund der Steuerung durch den Luftverhältnisfühler 102 sowie die Steuerschaltung 106. Wenn die Brennkraftmaschine warmgelaufen ist, entscheidet die Steuerschaltung 106 aufgrund des Signals vom Luftverhältnisfühler 102 ob das vom Vergaser 20 gelieferte Luft-Kraftstoff-Gemisch fetter oder magerer als ein bestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, d.h. fetter oder magerer als das für den optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine sowie für optimale Wirkungsweise das katalytischen Wandlers 26 erforderliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Die Steuerschaltung 106 liefert ein dementsprechendes Steuersignal an den Schrittmotor 110, der daraufhin das Bypassventil 114 in die geeignetste Stellung bringt.

Wenn das Bypassventil 114 vollständig geschlossen ist, gelangt der Ansaugunterdruck über die variable Durchflußöffnung 124 in der Bypassleitung 112 und durch die öffnung 134' in die Druckkammer 134 im Gehäuse 126, so daß die Membran 123 entgegen der Kraft der Druckfeder 136 nach rechts (in Fig. 2) ausgelenkt wird, was zur Folge hat, daß das Nadelventil 120 in seine vollständig geschlossene Stellung gebracht wird, so daß das Nadelventil 120 auf dem Ventilsitz 118 aufsitzt.

Wenn das Bypassventil 114 unter Steuerung durch den Luftverhältnisfühler 102 und die Steuerschaltung 106 danach in Öffnungsrichtung verstellt wird, gelangt Zusatzluft aus der Ansaugleitung 14 von einer Stelle stromauf der Mischkammer 20' zum Punkt A in der Bypassleitung 112 und durch die öffnung 134' in die Kammer 134 im Gehäuse 126, so daß der Unterdruck in der Kammer 134 sinkt und das Nadel-

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ventil 120 nach links (in Fig. 2) verstellt wird, was eine entsprechende Vergrößerung der freien Fläche der variablen Durchflußöffnung 124 zu Folge hat. Ganz allgemein führt eine Drehung der Klappe des Bypassventils 114 in öffnungsrichtung zu einer Vergrößerung der freien Druchflußflache der variablen Durchflußöffnung 124, wogegen eine Drehung der Klappe des Bypassventils 114 in Schließrichtung zu einer Verringerung der freien Durchflußfläche der variablen Durchflußöffnung 124 führt. Ferner führt eine Erhöhung des Ansaugunterdrucks zu einer Verringerung der Durchflußfläche, wogegen eine Abnahme des Ansaugunterdrucks zu einer Vergrößerung der freien Durchflußfläche führt. Somit wirr¹ der pneumatische Druck in der Bypassleitung 112 am Punkt A praktisch immer konstant gehalten. Dies bedeutet, daß der Druckunterschied am Bypassventil 114 praktisch konstant gehalten wird, da der Druck in der Bypassleitung 112 stromauf des Bypassventils 114 ungefähr gleich dem atmosphärischen Druck ist.

Die durch die Bypassleitung 112 in den Ansaugkrümmer 24 und somit in die Brennkraftmaschine 10 eingeleitete Zusatzluftmenge wird durch folgende Gleichung angegeben:

Q = k

Darin bedeuten Q die Zusatzluftmenge, S die freie Durchflußfläche der Bypassleitung 112 im Bypassventil 114, Δ P den Druckunterschied am Bypassventil 114 sowie k eine Konstante.

Die Gleichung zeigt, daß die Zusatzluftmenge vollständig unabhängig vom Ansaugunterdruck ist, der sich mit Laständerungen der Brennkraftmaschine 10 ändert. Demzufolge wird die Zusatzluftmenge vom Bypassventil 114 genau dosiert, was bedeutet, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs, das dem Brennraum 12 der

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Brennkraftmaschine 10 zugeführt wird, unter allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine von der Steuervorrichtung 100 richtig und genau gesteuert wird.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform, und zwar insbesondere des in Fig. 2 dargestellten Druckreglers 116. Der abgewandelte Druckregler ist mit dem Bezugszeichen 116a bezeichnet. Dieser abgewandelte Druckregler 116a umfaßt eine Leitung 132'a, die die Druckkammer 132 im Gehäuse 126 mit einem Unterdruckanschluß 20'a verbindet, der im Vergaser 20 ausgebildet ist und in die Mischkammer 20' mündet, so daß der Mischkammerunterdruck über die Leitung 132'a in die Kammer 132 gelangt und dadurch die Membran 12S auch durch den Mischkammerunterdruck ausgelenkt wird. Die beim ersten Ausführungsbeispiel vorgesehene Druckfeder 136 ist durch eine andere Druckfeder 136a ersetzt, die im Vergleich zur Druckfeder 136 eine etwas andere Elastizität hat. In den übrigen Elementen stimmt der Druckregler 116a im wesentliehen mit dem Druckregler 116 der ersten Ausführungsform überein. Übereinstimmende Teile der beiden Druckregler und 116a sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Der abgewandelte Druckregler 116a arbeitet in folgender Weise: Die Druckkammer 134 verringert die freie Durchflußfläche der variablen Durchflußöffnung 124 bei einem Anstieg des Ansaugunterdrucks und verringert die freie Durchflußfläche bei einer Verringerung des Ansaugunterdrucks, wie dies auch beim ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Wenn der Unterdruck in der anderen Druckkammer 132 konstant wäre, würde somit der Druck in der Bypassleitung 112 am Punkt A konstant gehalten werden. Da jedoch der Unterdruck in der Kammer 132 im wesentlichen gleich dem Mischkammerunterdruck ist, der sich mit den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine ändert und somit abnimmt,

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wenn die durch die Mischkammer 20' gesaugte Luftmenge abnimmt und dadurch auch der Mischkammerunterdruck abnimmt, wird auch die freie Durchflußfläche der variablen Durchflußöffnung 124 beiÄbnahme des Mischkammerunterdrucks verringert. Der Druck am Punkt Λ der Byoassleitung 112 wird dann auf einem niedrigeren Wert des Unterdrucks gehalten. Wenn jedoch die durch die Mischkammer 20' angesaugte Luftmenge zunimmt und dadurch der Mischkammerunterdruck steigt, steigt auch der Unterdruck in der Druckkammer 132, so daß dementsprechend die freie Durchflußfläche der variablen Durchflußöffnung vergrößert wird, was zur Folge hat, daß der Unterdruck am Punkt A in der Bypassleitung 112 zunimmt.

Am Punkt A in der Bypassleitung 112 herrscht somit ein Unterdruck, der proportional zur angesaugten Luftmenge ist, sofern die Öffnung des Bypassventils 114 konstant gehalten wird. Die der Brennkraftmaschine 10 zugeführte Zusatzluftmenge wird daher einerseits nicht vom Ansaugunterdruck beeinflußt und ist andererseits proportional zur durch die Mischkammer 20' angesaugten Luftmenge. Die Steuervorrichtung 100 mit dem abgewandelten Druckregler 116a arbeitet daher in der Weise, daß die Schwankungen bzw. Änderungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Luft-Kraftstoff-Gemischs, das der Brennkraftmschine 10 zugeführt wird, unter allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine minimal sind, was zur Folge hat, daß Regelschwankungen äußerst schwach auftreten, die andernfalls insbesondere bei Betrieb der Brennkraftmaschine unter geringer Last verstärkt auftreten würden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Abwandlung des Druckreglers 116 gemäß den Fig. 1 und 2. Dieser abgewandelte Druckregler ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 116b bezeichnet. Teile des Druckreglers 116b, die mit entsprechenden Teilen des Druckreglers 116 übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Druckkammer 132 ist wie bei dem in

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Fig. 2 dargestellten Druckregler 116 über das Entlüftungsloch 132' zur Umgebung entlüftet. Die andere Druckkammer 134 ist über eine Leitung 161 mit einem Dreiwegmagnetventil 160 verbunden, das außerdem über Leitungen 162 und 163 mit der Bypassleitung 112 einerseits an einer ersten Stelle zwischen dem Bypassventil 114 und der variablen Durchflußöffnung 124 und andererseits an einer zweiten Stelle stromab der Durchflußöffnung 124 verbunden ist. Das Dreiwegmagnetventil 160 wird von einem Ventilantrieb 170 so verstellt, daß entweder der in der Bypassleitung 112 an der ersten Stelle stromauf der variablen Durchflußöffnung herrschende Druck über die Leitung 162 oder der in der Bypassleitung 112 an der zweiten Stelle stromab der Durchflußöffnung 124 herrschende Druck über die Leitung 163 auf die Leitung 161 und in die Kammer 134 gegeben wird. Der Ventilantrieb 170 kann beispielsweise derart ausgebildet sein, daß er auf Änderungen der Temperatur des Kühlwassers der Brennkraftmaschine anspricht und das Dreiwegmagnetventil 160 in der Weise steuert, daß während des Warmlaufens der Brennkraftmaschine 10 das Dreiwegmagnetventil 160 die Leitung 161 mit der Leitung 163 verbindet, so daß der in der Bypassleitung 112 stromab der Durchflußöffnung 124 herrschende Druck, d.h. der Ansaugunterdruck, auf die Druckkammer 134 gegeben wird, und daß während der übrigen Betriebszustände der Brennkraftmaschine 10 das Dreiwegmagnetventil 160 die Leitung 161 mit der Leitung 162 verbindet, so daß auf die Druckkammer 134 der in der Bypassleitung 112 am Punkt A, d.h. stromauf der Durchflußöffnung 124, herrschende Druck gegeben wird. Durch die Steuerung des Drucks in der Druckkammer 134 in vorstehend beschriebener Weise wird dafür gesorgt, daß die variable Durchflußöffnung 124 während des Warmlaufens der Brennkraftmaschine 10 unabhängig davon, ob das Bypassventil geöffnet oder geschlossen ist, vollständig geschlossen gehalten wird, so daß während des Warmlaufens der Brenn-

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kraftmaschine die Zufuhr von Zusatzluft zur Brennkraftmaschine 10 unterbrochen wird, was den Vorteil zur Folge hat, daß die Brennkraftmaschine nur mit dem vom Vergaser erzeugten fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch gespeist wird. Dadurch werden das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine 10 während des Warmlaufens und die Fahreigenschaften des damit ausgerüsteten Fahrzeugs erheblich verbessert.

Alternativ kann der Ventilantrieb 170 auch so ausgebildet sein, daß er das Dreiwegmagnetventil 160 in der Weise steuert, daß die variable Durchflußöffnung 124 immer dann vollständig geschlossen ist, wenn die Brennkraftmaschine angelassen wird, und zwar unabhängig davon, ob die Brennkraftmaschine 10 bereits warmgelaufen ist oder nicht. Eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung des Ventilantriebs 170 besteht darin, daß diese das Dreiwegmagnetventil in der Weise steuert, daß die variable Durchflußöffnung 124 vollständig geschlossen gehalten wird, wenn die Drosselklappe 22 der Brennkraftmaschine vollständig geöffnet ist, wodurch dafür gesorgt wird, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs den Anforderungen bei diesem speziellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine entspricht.

Der Druckregler 116b kann ferner in der Weise abgewandelt sein, daß die Druckkammer 132 pneumatisch über eine nicht dargestellte Leitung mit der Mischkammer 20' des Vergasers 20 verbunden ist, wie dies bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 der Fall ist. Dadurch wird dann die Druck- kammer 132 mit dem Mischkammerunterdruck beaufschlagt.

Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der das Klappenventil 114 und der Schrittmotor 110 der ersten Ausführungsform durch ein Nadelventil 214 und einen Ventilantrieb 210 für dieses Nadelventil ersetzt sind.

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Die Teile der zweiten Ausführungsform, die Teilen der ersten Ausführungsform entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Das Nadelventil 214 hat einen kegelstumpfförmigen Ventilkopf 216, der an einem Ventilsdiaft 218 befestigt ist und einem ringförmigen Ventilsitz 222 in der Bypassleitung in der Weise zugeordnet ist, daß der Ventilsitz und der Ventilkopf eine variable Durchflußöffnung 224 in der Bypassleitung 112 definieren. Der Ventilantrieb 210 ist als Membranantrieb ausgebildet und umfaßt ein Gehäuse 250. Quer im Inneren des Gehäuses 250 ist eine Membran 252 gespannt, die zusammen mit dem Gehäuse zwei Kammer 254 und 256 begrenzt. Der Ventilschaft 218 ragt in die Kammer 256 und ist an der Membran 252 befestigt. In der anderen Kammer 254 ist eine Druckfeder 257 vorgesehen, die zwischen dem Gehäuse 250 und der Membran 252 sitzt und auf die Membran in Richtung zuir. Ventilsitz 222 drückt. Die Kammer 254 ist pneumatisch über eine Leitung 258 mit einem Dreiwegmagnetventil 260 verbunden, das elektrisch über eine Leitung 108 an die Steuerschaltung 106 angeschlossen ist. Das Dreiwegmagnetventil 260 weist einerseits einen zur umgebenden Atmosphäre offenen Einlaß 262 auf und ist andererseits pneumatisch über eine Leitung 264 mit der Bypassleitung 112 stromab des Druckreglers 116 verbunden. Das Dreiwegmagnetventil 260 stellt entweder eine Verbindung zwischen der Leitung 258 und dem Einlaß 262 oder eine Verbindung zwischen der Leitung 258 und der Leitung 264 her, so daß die Druckkammer 254 im Gehäuse entweder mit atmosphärischem Druck oder dem Ansaugunterdruck beaufschlagt wird, so daß die freie Durchflußfläche der variablen Durchflußöffnung 224 entsprechend gesteuert wird.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist das Dreiwegmagnetventil 260 über die Leitung 264 mit der

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Bypassleitung 112 stromab des Druckreglers 116 verbunden, so daß der Ansaugunterdruck über das Dreiwegmagnetventil 260 auf die Druckkammer 254 gegeben werden kann. Dies ist jedoch zum Betrieb des Ventilantriebs 210 nicht unbedingt erforderlich. Die Druckkammer 254 kann mit einem beliebigen anderen Drucksignal beaufschlagt werden, das proportional zur angesaugten Luftmenge ist, also beispielsweise mit dem Mischkammerunterdruck. Ferner kann der bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 vorgesehene Druckregler 116 durch einen der abgewandelten Druckregler 116a oder 116b ersetzt sein.

Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung zur Steuerrng des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Luft-Kraftstoff-Gemischs, das einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugeführt wird, umfaßt eine Leitung, die einen Vergaser und eine Drosselklappe der Brennkraftmaschine umgeht und durch die in die Ansaugleitung der Brennkraftmaschine stromab der Drosselklappe Zusatzluft eingeleitet wird, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf das für den Betrieb der Brennkraftmaschine geeignetste Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu verdünnen. In dieser Bypassleitung befindet sich ein Bypassventil, das die freie Durchflußfläche der Bypassleitung ändern kann. Das Ausmaß der öffnung des Bypassventils wird hauptsächlich entsprechend dem von einem Luftverhältnisfühler im Abgas festgestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs gesteuert. In der Bypassleitung befindet sich stromab des Bypassventils eine variable Durchflußöffnung, die von einem Ventilsitz und einem diesem zugeordneten Nadelventil begrenzt wird, durch das die freie Durchflußfläche der Durchflußöffnung verändert werden kann. Das Nadelventil wird von einem pneumatischen Ventilantrieb verstellt, der auf Änderungen des Ansaugunterdrucks anspricht. Diese Ausbildung führt dazu, daß der Druckunterschied am Bypassventil im wesentlichen konstant gehalten wird, so daß die Zufuhr von Zusatzluft im wesentlichen

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proportional zur angesaugten Luftmenge und unabhängig von Einflüssen aufgrund des Ansaugunterdrucks ist.

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L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

1. Steuervorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Luft-Kraftstoff-Gemischs, das einer Brennkraftmaschine zugeführt wird, die zumindest einen Brennraum, eine Ansaugleitung, durch die das Gemisch dem Brennraum zugeführt wird, ein Auspuffrohr zur Ableitung von Abgas aus dem Brennraum zur Atmosphäre, einen Vergaser in der Ansaugleitung zur Erzeugung des Luft-Kraftstof f-Gemischs und eine Drosselklappe umfaßt, die schwenkbar in der Ansaugleitung stromab des Vergasers angeordnet ist und die Strömung des Gemischs in der Ansaugleitung zum Brennraum steuert, gekennzeichnet durch eine Luftverhältnisfühleinrichtung (102), die im Auspuffrohr (16) angeordnet ist und den Sauerstoffgehalt des durch das Auspuffrohr strömenden Abgases zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des dem Brennraum (12) zugeführter Gemischs ermittelt, eine am Vergaser (20) und der Drosselklappe (22) vorbeiführende Bypassleitung (112), deren stromab gelegenes Ende in die Ansaugleitung (14) stromab der Drosselklappe mündet und durch die Zusatzluft in die Ansaugleitung eingeleitet wird, ein in der Bypassleitung angeordnetes Bypassventil (114, 214) zur Steuerung der freien Durchflußfläche der Bypassleitung, durch die die Zusatzluft zur Ansaugleitung stromab der Drosselklappe strömen kann, eine mit dem Bypassventil in Antriebsverbindung stehende Einrichtung (106, 110, 210), die in funktionaler Verbindung mit der Luftverhältnisfühleinrichtung steht und zum Verstellen des Bypassventils in der Weise dient, daß die freie Durchflußfläche der Bypassleitung zunimmt, wenn das festgestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, und einen Druckregler (116, 116a,

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116b) zur Regelung des Drucks in der Bypassleitung stromab des Bypassventils in der Weise, daß dieser Druck im wesentlichen auf einem gewünschten Wert gehalten wird, so daß die Zufuhr von Zusatzluft durch die Bypassleitung in die Ansaugleitung genau in Abhängigkeit von Änderungen der freien Durchflußfläche der Bypassleitung und unabhängig von Änderungen des Drucks in der Ansaugleitung stromab der Drosselklappe gesteuert wird.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler (116, 116a) umfabt einen Ventilsitz (118), der in der Bypassleitung (112) stromab des Bypassventils (114) ausgebildet ist, eine Membraneinrichtung mit einer auslenkbaren Membran (128) und einer ersten Druckkammer (134) sowie einer zweiten Druckkammer (132), die von der Membran getrennt sind, wobei die erste Druckkammer (134) an einem Punkt zwischen dem Bypassventil und dem Ventilsitz in Verbindung mit der Bypassleitung (112) steht, ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes Nadelventil (120), das zusammen mit diesem eine variable Durchflußöffnung (124) definiert und in Antriebsverbindung mit der Membran steht, so daß die freie Durchflußfläche der variablen Durchflußöffnung entsprechend dem Druck in der ersten Druckkammer gesteuert wird, so daß der Druck am genannten Punkt der Bypassleitung im wesentlichen auf einem gewünschten Wert gehalten wird.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Druckkammer (132) in Verbindung mit der Mischkammer (20") im Vergaser (20) steht, so daß die zweite Druckkammer mit Mischkammerunterdruck beaufschlagt wird und dadurch der Druck am genannten Punkt der Bypassleitung (112) entsprechend den Änderungen des Mischkammerunterdrucks geändert wird.

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4. Steuervorrichtung nach Ansnruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler (116b) umfaßt einen in der Bypassleitung (112) stromab des Bypassventils (114) ausgebildeten Ventilsitz (113), eine Membraneinrichtung mit einer auslenkbaren Membran (128) sowie einer ersten Druckkammer (134) und einer zweiten Druckkammer (132), die von der Membran getrennt sind, ein Dreiwegventil (160) mit einem ersten Anschluß, der pneumatisch mit der ersten Druckkammer verbunden ist, einen zweiten Anschluß, der pneumatisch mit der Bypassleitung zwischen dem Bypassventil und dem Ventilsitz verbunden ist, und einen dritten Anschluß, der pneumatisch mit der Bypassleitung stromab des Ventilsitzes und stromauf des Brennraumes (12) verbunden ist, einen dem Dreiwegventil funktional zugeordneten Ventilantrieb (170), der auf Änderungen eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine (10) anspricht und entsprechend das Dreiwegventil verstellt, so daß dadurch wahlweise der erste Anschluß entweder mit dem zweiten oder mit dem dritten Anschluß verbunden wird, so daß die erste Druckkammer mit dem Druck an einem ersten oder einem zweiten Punkt in der Bypassleitung beaufschlagt wird, wobei der erste Punkt zwischen dem Bypassventil und dem Ventilsitz liegt und wobei der zweite Punkte stromab des Ventilsitzes und stromauf des Brennraumes (12) liegt, und ein unter Bildung einer variablen Durchflußöffnung (124) mit dem Ventilsitz (118) zusammenwirkendes Nadelventil (120), das in Antriebsverbindung mit der Membran steht, so daß die freie Durchflußfläche der variablen Durchflußöffnung entsprechende dem Druck in der ersten Druckkammer gesteuert wird, so daß der Druck in der Bypassleitung am ersten Punkt im wesentlichen auf einem konstanten Wert gehalten wird, wenn der erste Anschluß mit dem zweiten Anschluß in Verbindung steht, und so daß die

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variable Durchflußöffnung vollständig geschlossen ist, wenn der erste Anschluß in Verbindung mit dem dritten Anschluß steht.

5. Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Druckkammer (132) zur Atmosphäre entlüftet ist.

6. Steuervorrichtung nach Ansoruch 4, dadurch gekenn-

zeichnet, daß der Ventilantrieb (170) für das Dreiwegventil (160) auf Änderungen der Temperatur der Brennkraftmaschine (10) anspricht und in der Weise arbeitet, daß der erste und der dritte Anschluß des Dreiwegventils miteinander in Verbindung stehen, wenn die Temperatur der Brennkraftmaschine unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, und daß der erste und der zweite Anschluß des Dreiwegventils in Verbindung miteinander stehen, wenn die Temperatur der Brennkraftmaschine den bestimmten Wert übersteigt.

7. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bypassventil (114) ein drehbar in der Bypassleitung (112) angeordnetes Ventilelement umfaßt, von dem die freie Durchflußfläche der Bypassleitung verändert werden kann, und daß die Einrichtung zum Antrieb des Bypassventils eine Steuerschaltung (106), die elektrisch mit der Luftverhältnisfühleinrichtung (102) verbunden ist, sowie einen Schrittmotor (110) umfaßt, der elektrisch mit der Steuerschaltung verbunden ist und von dieser elektronisch angesteuert wird, wobei der Schrittmotor mechanisch mit dem Ventilelement so verbunden ist, daß das Ventilelement vom Schrittmotor verstellt wird.

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8. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bypassventil einen Ventilsitz (222) in der Bypassleitung (112) sowie ein Nadelventil (214) umfaßt, das dem Ventilsitz zugeordnet ist und zusammen mit diesem eine variable Durchflußöffnung (224) definiert, und daß die Einrichtung zum Antrieb des Bypassventils eine Steuerschaltung (106), die elektrisch mit der Luftverhältnisfühleinrichtung (102) verbunden ist, einen pneumatischen Ventilantrieb (250, 252), der in Antriebsverbindung mit dem Nadelventil steht und wahlweise pneumatisch mit der Atmosphäre und einer Unterdruckquelle des Motors verbunden werden kann, deren Unterdruck ein Maß für die angesaugte Luftmenge ist, sowie ein Dreiwegventil (260) umfaßt, das elektrisch von der Steuerschaltung gesteuert wird und die Verbindung des pneumatischen Ventilantriebs entweder mit der Atmosphäre oder mit der Unterdruckquelle der Brennkraftmaschine schaltet.

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