DE2731440A1

DE2731440A1 - Kraftstoffregelvorrichtung mit geschlossenem regelkreis

Info

Publication number: DE2731440A1
Application number: DE19772731440
Authority: DE
Inventors: Shigeo Aono; Akio Hosaka
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1976-07-13
Filing date: 1977-07-12
Publication date: 1978-01-19
Also published as: US4187812A; JPS5311234A; CA1111530A; JPS5624777B2; DE2731440B2; DE2731440C3

Description

PA"» ENTANWÄLTE A. GRUNBCKER

DlPL -IW

^Η· KINKELDEY

2731U0

W. STOCKMAIR DH.-ING Α»£ (CALFdO*

K. SCHUMANN

or REft.NAr-on.-mys.

P. H. JAKOB

DIPL-INa

G. BEZOLD

OR RER NAT ■ DIFl.-CHBM

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE «3

12. Juli 1977 P 11 831

Nissan Motor Company, Limited

No. 2, iPakara-machi, Kanagawa-ku, Yokohama City, Japan

Kraftstoffregelvorrichtung mit geschlossenem Regelkreis

Die Erfindung bezieht sich auf die Verminderung unerwünschter Stoffe in den Abgasen einer Brennkraftmaschine und betrifft insbesondere eine Emissionsregelvorrichtung, die über eine Korrektur des Kraftstoffluftverhältnisses mittels eines Rückführungssignals arbeitet , das von einem Abgassensor erhalten wird.

Es ist allgemein bekannt, daß die Art und die Menge der im Abgas einer Maschine vorhandenen Stoffe stark durch das Kraftstoffluftverhältnis des Gemisches beeinflußt werden, das der Maschine geliefert wird. Reiche Gemische neigen dazu» große Mengen an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zu erzeugen, während ärmere Gemische dazu neigen, größere Mengen an Stickstoffoxiden zu erzeugen. Es ist allgemein bekannt, daß die Ab-

709883/0955

TELEFON (Οββ) 993889 TELEX Οβ-9β3βΟ TELEGRtMME MONAPAT TELEKOPIERER

2731U0

gase katalytisch behandelt werden können, um den Anteil dieser unerwünschten Bestandteile zu verringern und daß der Anteil der unerwünschten Bestandteile des Abgases mittels einer einzigen katalytischen Einrichtung so klein wie möglich gehalten werden kann, vorausgesetzt, daß das dem katalytischen Dreiwegwandler gelieferte Kraftstoffluftgemisch im engen stöchiometrischen Bereich, d.h. im sogenannten Konverterfenster, gehalten wird. Es ist bereits vorgeschlagen worden, die dem katalytischen Wandler gelieferten Gase durch eine Kraftstoffregelvorrichtung mit geschlossenem Regelkreis im Konverterfenster zu halten, bei der das Kraftstof f luf tverhältnis des der Maschine gelieferten Gemisches über ein Rückführungssignal von einem Zirkonoxidsensor geregelt wird,der den Abgasen ausgesetzt ist. Die Auslegung einer derartigen Regelvorrichtung muß jedoch einer Vielzahl von Anforderungen genügen. Die Vorrichtung muß schnell auf sich ändernde Maschinenbetriebsparameter ansprechen, während sie gleichzeitig stabil arbeiten muß, so daß das geregelte Kraftstoffluftgemisch nur kurze Zeit außerhalb des Konverterfensters liegt. Es ist bereits eine Anzahl von Kraftstoffregelvorrichtungen mit geschlossenem Regelkreis vorgeschlagen worden, keine dieser "Vorrichtungen arbeitet jedoch vollständig zufriedenstellend. Die meisten Vorrichtungen verwenden einen Zirkonoxidsensor, der dem Abgas der Maschine stromaufwärts vom Wandler ausgesetzt wird, sowie eine Proportional- und Integralregelung in der Rückführungsschleife. Derartige Vorrichtungen halten den Arbeitspunkt der Maschine unter einer gewissen Kontrolle, neigen jedoch dazu, aus dem Konverterfenster mit der Zeit als Folge einer Änderung der Maschinenbetriebsparameter herauszuwandern.

Durch die Erfindung wird eine Kraftstoffregelvorrichtung mit geschlossenem Regelkreis geliefert, bei der eine Speichereinrichtung vorgesehen ist, um das Regel signal zu speichern, das

709883/0955

2731U0

--2Γ-

den vorhergehenden Zustand eines bestimmten Maschinenbetriebsparameters, beispielsweise der Beschleunigung, angibt. Das gespeicherte Signal wird dann anstelle des augenblicklichen Wertes des Regelsignals zur Regelung des Kraftstoffluftgemisches benutzt, wenn die Maschine das nächste Mal beschleu-.nigt wird.

Die Speichereinrichtung umfaßt vorzugsweise eine Taktspeicherschaltung, die auf eine wahrgenommene Beschleunigung der Maschine ausgelöst wird, um den augenblicklichen Wert oder vorzugsweise den Mittelwert des Regelsignals während der Beschleunigung zu speichern, bis die nächste Beschleunigung auftritt. Der Vorteil besteht darin, daß die Regelvorrichtung schnell auf eine Beschleunigung ansprechen kann, während sich das Regelsignal allmählich mit einer Geschwindigkeit ändert, die der Änderung des Maschinenparameters entspricht, wenn die Maschine in den Normalbetrieb koimat, so daß die Regelung beibehalten wird, ohne ein merkliches Herauswandern aus dem Konverterfenster während der Fahrt mit Reisegeschwindigkeit oder während des stationären Betriebes unmittelbar nach jeder Beschleunigung. Da das gespeicherte Signal den Regelwert wiedergibt, der für den speziellen Maschinenbetrieb der geeignetste Wert ist, ist das gespeicherte Signal für Änderungen der Leistung der Maschine öder der Regelvorrichtung über einen langen Zeitraum und für Abweichungen von Fahrzeug zu Fahrzeug unempfindlich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere für eine Integralregelung geeignet, kann jedoch auch für eine kombinierte Integral- und Proportionalregelung verwandt werden.

Ein besonders bevorzugter Gedanke der Erfindung liegt in einer Kraftstoffregelvorrichtung mit geschlossenem Regelkreis für eine Brennkraftmaschine, die in ihrem Abgasleitungssystem einen

709883/0955

2731U0

Sensor für die Abgaszusaminensetzung aufweist, der ein Signal erzeugt, das das Kraftstoffluftverhältnis in den Gasen im Abgasleitungssystem wiedergibt, welche Regelvorrichtung einen Integralregler, der eine Integration des erzeugten Signales zum Einstellen des Kraftstoffluftverhältnisses des Gemisches liefert, das der Maschine zugeführt wird, und eine Speichereinrichtung aufweist, die das Ausgangssignal vom Regler auf einen speziellen wahrgenommenen Maschinenbetriebsparameter ansprechend speichert. Das gespeicherte Signal wird später auf die Wahrnehmung desselben Maschinenbetriebsparameters hin ansprechend entnommen, um das Ausgangssignal des Reglers schnell zu verändern.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert:

Figur 1 zeigt das schematische Schaltbild des Ausführungsbeispiels der Erfindung.

• ■

Figur 2 zeigt in einem Diagramm Signalwellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Wie es in Figur 1 dargestellt ist, wird eine Brennkraftmaschine 10 mit einem Gemisch aus Kraftstoff und Luft über eine geeignete Kraftstoff und Luft mischende und proportionierende Einrichtung 11, beispielsweise einen Vergaser, versorgt, obwohl diese Einrichtung auch eine Kraftstoffeinspritzanlage sein kann.

Die Maschine 10 gibt ihre Abgase über eine Abgasleitung 12 ab, die einen katalytischen Wandler 13 enthält. Der katalytische Wandler 13 ist eine Vorrichtung des Typs, bei dem die hindurchströmenden Abgase einem katalytischen Stoff ausgesetzt werden, der, wenn das richtige Kraftstoffluftverhältnis in den Abgasen vorherrscht, gleichzeitig die Oxidation von Kohlenmonoxid und

709883/0955

2731U0

der Kohlenwasserstoffe und die Reduktion der Stickstoffoxide fördert. Die Abgasleitung 12 ist mit einem Sauerstoffsensor 14 stromaufwärts vom katalytischen Wandler 13 versehen. Der Sauerstoffsensor 14 ist vorzugsweise ein Zirkonoxidelektrolytsensor, der dann, wenn er den auf hoher Temperatur befindlichen Abgasen der Maschine ausgesetzt wird, eine Ausgangsspannung erzeugt, die sich merklich ändert, wenn das Kraftstoffluftverhältnis der Abgase durch den stöchiometrischen Wert wandert. Die Ausgangsspannung des Sensors 14 ist eine Punktion des Kraftstoffluftverhältnisses, das durch die Kraftstoff und Luft mischende und proportionierende Einrichtung 11 bestimmt ist_;und zeigt einen ziemlich steilen Verlauf, wenn das Gemisch durch den stöchiometrischen Wert geht.

Das Ausgangssignal vom Sauerstoffsensor 14 wird demnicht invertierenden Eingang eines Funktionsverstärkers 15 zugeführt, der den Unterschied zwischen dem Ausgangssignal des Sensors und einem Bezugswert V. ermittelt, der einem Integrator 16 geliefert wird, der von einem Funktionsverstärker 17 gebildet wird, dessen nicht invertierender Eingang an Masse liegt'und dessen invertierender Eingang über einen Integrationskondensator C1 mit seinem Ausgang und über eine Integrationswiderstand R1 mit dem Ausgang.des Funktionsverstärkers 15 verbunden ist.

Das Ausgangssignal des Integrators 16 liegt an der Kraftstoff und Luft proportionierenden Einrichtung 11, um das Kraftstoffluftverhältnis im sogenannten Konverterfenster einzustellen. Erfindungsgemäß wird das Ausgangssignal vom Integrator 16 auf das Vorliegen eines vorübergehenden Bedarfes an einem reichen oder armen Gemisch hin amplitudenmoduliert. Eine Fahrzeugbeschleunigung wird durch einen Detektor 18 als ein Bedarf an einem reichen Gemisch wahrgenommen, der ein auf einem hohen Spannungspegel liegendes Signal einem elektronischen Schalter 19 liefert, der einen Schaltkreis vom Ausgang des Integrators 16 über einen Widerstand R2 und einen Kondensator C2 _Zur Masse

709883/0955

2731U0

schließt. Der Detektor 18 kann irgendein Detektor aus der Vielzahl verschiedener Detektoren, beispielsweise ein Drosselstellungsschalter, ein Ansaugunterdruckschalter oder ein Gaspedalschalter sein. Das Signal vom Detektor 18 schließt den Schalter 19 und lädt den Kondensator C2 auf die Ausgangsspannung des Integrators 16 auf, so daß das Ausgangssignal des Integrators während der Beschleunigung als Meßwert genommen wird und bis zur folgenden Beschleunigung gespeichert wird. Die Spannung über den Kondensator C2 liegt über einen Pufferverstärker 20 und einen Inverter 21 an einem elektronischen Schalter 22. Der Schalter 22 wird auf ein Ausgangssignal von einem monostabilen Multivibrator 24 hin geschlossen, um das Ausgangssignal vom Inverter 21 über einen Widerstand R3 an den invertierenden Eingang des Integrationsverstärkers

17 zu legen. Über den Kondensator C1 ist eine Schaltung aus einem Widerstand R4 und einem elektronischen Schalter 23 geschaltet, die auch auf das Ausgangesignal vom monostabilen Multivibrator 24 anspricht, um einen Nebenschluß mit niedrigem Widerstand zum Kondensator C1 zu bilden. Die Widerstände R3 und R4 haben denselben Widerstandswert, der jedoch viel kleiner als der des Integrationswiderstandes R1 ist. Der Schalter 19 kann für eine gewünschte feste Zeitdauer betätigt werden, indem ein monostabiler Multivibrator 24' zwischen dem Detektor

18 und dem Schalter 19 vorgesehen wird, wie es durch unterbrochene Linien A in Figur 1 dargestellt ist.

Der monostabile Multivibrator 24 ist mit dem Ausgang des Beschleunigungsdetektors 18 verbunden, um einen Impuls zu erzeugen, der für eine kurze Zeitspanne von der Vorderflanke des Signals vom Detektor 18 an vorliegt.

Während anderer Arbeitsweisen der Maschine als der Beschleunigung bleiben die elektronischen Schalter 19, 22 und 23 geöffnet und liefert der Integrator 16 eine Integration des Signals vom Differentialverstärker 15 mit dem linearen Anstieg von R1C1

709883/095S

2731U0

/ο

Während der Beschleunigung wird ein auf einem hohen Spannungspegel liegendes Signal 30 durch den Detektor 18 erzeugt (Figur 2a) und darauf ansprechend wird vom monostabilen Multivibrator 24- ein Ausgangssignal 31 den Schaltern 22 und 23 geliefert, die ihre jeweiligen Schaltwege schließen. Zu diesem Zeitpunkt wird die am Kondensator C2 gespeicherte Spannung über den Widerstand I?3 an den invertierenden Eingang des Funktionsverstärkers 17 gelegt. Da der Widerstand R4 einen viel kleineren Widerstandswert als der Widerstand R1 hat, nimmt das Ausgangssignal des Integrators 17 augenblicklich einen Wert an, der gleich der invertierten Spannung des Ausgangssignal vom Inverter 21 ist. Da die Spannung über dem Kondensator C2 zu dem Zeitpunkt, zu dem die Schalter 22, 23 geschlossen werden, die Ausgangsspannung des Integrators 16 wiedergibt, die bei der vorhergehenden Beschleunigung aufgetreten ist, nimmt das Ausgangssignal des Integrators nun den Spannungspegel des vorhergehenden Beschleunigungszustandes ein, wie es in Figur 2c dargestellt ist.

Der Kondensator C2 wird durch das Ausgangssignal des Integrators während jeder Beschleunigungszeit auf einen neuen Wert wieder aufgeladen, der den Mittelwert des Ausgangssignals des Integrators während dieser Zeit wiedergibt. Aus Figur 2c ist ersichtlich, daß dann, tvenn das Ausgangssignal des Integrators 16 einmal auf einen neuen Wert bei der Feststellung einer Beschleunigung springt, der Integrationskondensator C1 auf die Spannung über dem Kondensator C2 aufgeladen wird und daß anschließend an die Aufladung des Kondensators C1 der Integrator 16 das Ausgangssignal des Verstärkers 15 mit dem normalen linearen Anstieg von R1C1 integriert, so daß die Regelung um den Beschleunigungspegel 32 schwingen kann.

Da die Wirkung der Schaltung R2C2 darin besteht, die augenblicklichen Werte des Ausgangssignals des Integrators während der Beschleunigungszeiten zu mitteln, ist die Spannung über dem

709883/0955

_^_ 2731U0 AA

Kondensator C2 unempfindlich für Abweichungen von einem Fahrzeug zum anderen oder einen Alterungsprozeß und wird die Maschine während jeder Beschleunigung mit einem Kraftstoffluftgemisch mit dem geeignetsten Kraftstoffluftverhältnis versorgt.

Da der'Kondensator C2 seine gespeicherte Energie entladen wird und da die für die folgende Beschleunigung verwandte Spannung über eine lange Zeitdauer abfallen wird, kann vorzugsweise der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator C2 und dem Widerstand R2 über einen Widerstand R5 mit ausreichend hohem Widerstandswert und über einen elektronischen Schalter 26, der so angeordnet ist, daß er während des Anlassens des Fahrzeuges betätigt wird, mit einer Spannungsquelle 25 verbunden sein. Bei dieser Anordnung wird der Kondensator C2 auf einen passenden Spannungspegel aufgeladen, wenn der Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Beschleunigungen sehr lang ist. Der Kondensator C2 kann direkt durch die in unterbrochenen Linien B dargestellte Schaltung mit dem Widerstand R5 verbunden sein, so daß er von der Spannungsquelle 25 ständig aufgeladen wird, wenn der Widerstandswert des Widerstandes R5 so gewählt ist, daß er viel größer als der des Widerstandes R2 ist·

709883/0955

Claims

ΡΑ"ιΕ\ΤΛΝ\«Α..Τε Α. GRÜNECKER

LHPt. ING.

H. KINKELDEY £ f O I HHU _w STOCKMAlR

UR ING - Am€ (CU. ΓΕΟ*

K. SCHUMANN

OR HER NAT ■ WL -Ρ·#Υ3

P. H. JAKOB

on. mc

G. BEZOLD

OHfWW OFL-OCM

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

P 11 831

Patentansprüche

Kraftstoffrege!vorrichtung mit geschlossenem Regelkreis für eine Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zum Zuführen von Kraftstoff und Luft in einem veränderlichen Verhältnis und rait einer Abgaseinrichtung, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14, 15) zum Messen der Konzentration eines bestimmten Bestandteils der Gase in der Abgaseinrichtung (12) und zum Ermitteln der Abweichung des Kraftstoffluftverhältnisses in der Abgaseinrichtung (12) von einem Bezugswert, durch eine Einrichtung (16), die ein Fehlerkorrektursignal der das Kraftstoffluftgemisch liefernden Einrichtung (11) liefert, das das zeitliche Integral der Abweichung des Kraftstoffluftverhältnisses in der Abgaseinrichtung (12) wiedergibt, durch eine Einrichtung (18), die wahrnimmt, daß sich die Maschine in einem bestimmten Betriebszustand befindet, durch eine Einrichtung (19> C2, R2), die das Pehlerkorrektursignal auf die Wahrnehmung des Maschinenbetriebszustandes hin als Meßwert nimmt und das Meßwertsignal speichert, und durch eine Einrichtung (20, 21, 22), die die Größe des Korrektursignals auf die Wahrnehmung des Maschinenbetriebszustandes hin so ändert, daS sie gleich der Größe des gespeicherten Signals ist.

709883/0955

TBLEFON (OS») 993843 TELEX 0S-3S38O TELEGRAMME MONAPAT TELEKOPIERER

2731U0
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Meßwert nehmende und speichernde Einrichtung (19» C2, E2) einen Widerstand (R2) und einen Kondensator (C2), die in Reihe geschaltet sind, und eine torgesteuerte Schalteinrichtung (19) aufweist, die auf die Einrichtung (18) zum Wahrnehmen eines Betriebszustandes anspricht und den Kondensator (C2) mit dem Ausgang der das Korrektursignal liefernden Einrichtung (16) über den Widerstand (R2) verbindet, wobei, der Widerstand (R2) einen derartigen Widerstandswert hat, daß der Kondensator (C2) eine Spannung entwickelt, die den Mittelwert des Korrektursignals während der Zeit angibt, während der der bestimmte Betriebszustand vorliegt.
3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Fehlerkorrektursignal liefernde Einrichtung (16) einen Funktionsverstärker (17) mit einem ersten Eingang, der auf d>ie Abvjeichung des Kraftstoffluftverhältnisses über einen ersten Integrationswiderstand (R1) anspricht und dessen zweiter Eingang an einem Bezugspotential liegtj und einen Integrationskondensator (C1) aufweist, der zwischen den ersten Eingang und den Ausgang des Funktionsverstärkers (17) geschaltet ist, und daß die das Eingangssignal ändernde Einrichtung einen zweiten Widerstand (R3) und eine zweite torgesteuerte Schalteinrichtung (22), die auf die Wahrnehmung des Betriebszustandes der Maschine anspricht und das gespeicherte Korrektursignal über den zweiten Widerstand (R3) an den ersten Eingang des Funktionsverstärkers (17) legt, und einen dritten Widerstand (R4-) und eine dritte torgesteuerte Schalteinrichtung (23) aufweist, die auf die Wahrnehmung des Betriebszustandes der Maschine anspricht und den dritten Widerstand (BM-) parallel zum Integrationskondensator (C1) schaltet, wobei der zweite Widerstand (R3) einen kleineren Widerstandswert als der erste Widerstand (R1) hat, so daß der Integrationskondensator (Ci) augenblicklich auf einen Spannungspegel aufgeladen wird, der im wesentlichen gleich dem des gesr>eicherten Korrektursignals ist.

709883/0955

2731U0
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die den Betriebszustand der Maschine wahrnehmende Einrichtung (18) eine Einrichtung aufweist, die den vorübergehenden Bedarf an einem reichen oder armen Gemisch wahrnimmt.
5· Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine
Spannungsquelle (25) und einen weiteren Widerstand (E5),
der zwischen die Spannungsquelle (25) und den Verbindungspunkt: zwischen dem ersten Widerstand (E2) und dem ersten
Kondensator (C2) geschaltet ist, wobei der Widerstandswert des weiteren Widerstandes (E5) viel größer als der des ersten Widerstandes (B2) ist, so daß der Kondensator (C2) dauernd durch die von der Spannungsquelle (25) gelieferte Spannung aufgeladen wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Spannungsquelle (25), einen weiteren Widerstand (E5) und einen Handschalter (26), wobei der zweite Schalter (26) in Eeihe zwischen die Spannungsquelle (25) und den Verbindungspunkt zwischen dem ersten Widerstand (E2) und dem ersten Kondensator (C2) geschaltet ist, um den Kondensator (C2) auf eine Betätigung des Handschalters (26) hin aufzuladen.
7· Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen
monostabilen Multivibrator (24¹), der zwischen die den Maschinenbetriebsparameter wahrnehmende Einrichtung (18) und die Steuerklemme der torgesteuerten Schalteinrichtung (19) geschaltet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch einen
monostabilen Multivibrator (24), der zwischen die den Maschinenbetriebsparameter wahrnehmende Einrichtung (18) und die Steuerklemme der zweiten und dritten torgesteuerten
Schalteinrichtung (22, 23) geschaltet ist.

709883/0955