DE3014633A1

DE3014633A1 - Verfahren und vorrichtung zur rueckkopplungssteuerung einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3014633A1
Application number: DE19803014633
Authority: DE
Inventors: Masaharu Asona; Shoji Furuhashi; Hideyuki Tamura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-04-16
Filing date: 1980-04-16
Publication date: 1980-10-23
Also published as: JPS55137340A; US4314537A

Description

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan GO 3 1-8 O

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückkopplungssteuerung der Brennstoffzufuhr einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ersten Vorrichtungsanspruchs.

Im einzelnen befaßt sich die Erfindung mit einer derartigen Vorrichtung, die entsprechend einem Signal eines Sensors zur Abtastung der Konzentration eines Auspuffgas-Be-Standteils arbeitet, und im einzelnen eine Erzielung einer genauen und einfachen Rückkopplungssteuerung des Luft-Brennstoff -Verhältnisses eines Luft-Brennstoff-Gemisches, das der Maschine zugeführt wird.

In diesem Zusammenhang zielt die Erfindung insbesondere darauf ab, eine genaue und einfache Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses bei einem vorgegebenen Wert zu erreichen und die Ansprechzeit der Rückkopplungssteuerung zu beschleunigen und die Gefahr einer Fehlsteuerung auszuschließen.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Erfindungsgemäß soll eine fehlerfreie Rückkopplungssteuerung unmittelbar dann einsetzen, wenn die Maschinentemperatur einen vorgegebenen Wert erreicht, und der Erwärmungszustand eines Auspuffgas-Sensors soll unverzüglich dann abgetastet werden, wenn die Rückkopplungssteuerung unterbrochen wird.

Erfindungsgemäß wird ein Bezugswert, mit dem ein Ausgangssignal des Auspuffgassensors verglichen wird, selbst während der Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung aufgrund niedriger Maschinentemperatur variiert, und der Bezugswert sowie der Wert eines Stromes, der dem Auspuffgassensor zugeführt wird, werden ebenfalls variiert.

030043/0915

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER Nissan G031-80

30H633

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Rückkopp-

lungssteuerung, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist, in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine;

Fig. 2A ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ausgangswerte eines Auspuffgassensors für das System der Fig, 1;

Fig. 2B ist eine elektrische Äquivalenzschaltung für den Auspuffgassensor der

Fig. 2A;

Fig. 3 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Temperaturkennlinie des Auspuffgassensors der Fig. 2A;

Fig. 4 zeigt in einem Schaltbild die Rückkopplungssteuerung des Systems der Fig. 1;

Fig. 5A,5B sind grafische Darstellungen der Sig- und 5C nalwellenform der Signale des Schaltbilds der Fig. 4;

Fig. 6 ist ein Beispiel eines Schaltbildes der Rückkopplungssteuerung des

Systems der Fig. 1;

Fig. IK₁IB sind Wellenformdiagramme zu dem

und 7C Schaltbild der Fig. 6;
35

030043/0915

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan G031-80

— 7 —

Fig. 8 ist ein weiteres Schaltbild der

Rückkopplungssteuerung für das System der Fig. 1;

Fig. 9 ist ein Zeitdiagramm, das die Ar

beitsweise des Schaltbildes der Fig. 8 veranschaulicht;

Fig. 10 ist ein Flußdiagramm, das die Arbeitsweise der Schaltung der Fig. 8

erläutert.

In Verbindung mit der Emissionssteuerung der Auspuffgase eines Kraftfahrzeugs ist in jüngerer Zeit in der Praxis ein Rückkopplungs-Steuerungssystem für die Brennstoffzufuhr verwendet worden, bei dem die der Maschine zugeführte Brennstoffmenge gesteuert wird entsprechend einer Information über die Konzentration eines Bestandteiles der Auspuffgase der Maschine, durch die das Luft-Brennstoff-Verhältnis eines der Maschine zugeführten Gemisches festgelegt wurde.

Ein Beispiel einer derartigen Steuerung soll anhand von Fig. 1 erläutert werden. Fig. 1 zeigt schematisch eine Brenn kraftmaschine 1, beispielsweise für ein nicht gezeigtes Kraftfahrzeug, mit einer Auspuffleitung 2. Ein Auspuffgassensor 3 befindet sich in der Auspuffleitung und tastet die Konzentration eines Bestandteiles der Auspuffgase ab, die durch die Auspuffleitung strömen. Eine Reinigungseinrichtung 4 befindet sich in der Auspuffleitung 2 und dient zur Reinigung der Auspuffgase vor der Abgabe an die Umgebungsluft. Eine Steuereinheit 5 umfaßt einen Bereich 6 zur Berechnung und Ermittlung des Brennstoffbedarfs und einen Bereich 7, der eine Rückkopplungssteuerung darstellt. Die Steuereinheit 5 wird beispielsweise durch einen Mikrocomputer gebildet. Der Auspuffgassensor 3 erzeugt ein Signal S₂ das beispielsweise der Sauerstoffkonzentration in den Auspuffgasen entspricht.

030043/0915

TER MEER - MÜLLER · STEINMEISTER Nissan G031-80

Der Rückkopplungsbereich 7 ist derart ausgebildet, daß er eine Unterscheidung ermöglicht, ob das Luft-Brennstoff-Verhältnis über oder unter einem vorgegebenen Wert liegt, d.h., ob das Gemisch fett oder mager ist. Diese Information wird dem Signal S_ entnommen, und es wird ein Steuersignal S_ erzeugt, durch das die Brennstoffzufuhr erhöht wird, wenn das Gemisch zu mager ist, und im umgekehrten Falle verringert wird. Der Bereich 6 der Steuereinheit 5, der zur Ermittlung der Brennstoffzufuhr dient, berechnet einen Basiswert der Zufuhrmenge entsprechend einem Signal S^, das für den Betriebszustand der Maschine repräsentativ ist und beispielsweise die Ansaugluftmenge, die Maschinendrehzahl, die Maschinentemperatur etc. erfaßt, und sodann wird der tatsächliche Brennstoffbedarf ermittelt, in dem der Basiswert entsprechend dem Steuersignal S₃ korrigiert und ein Brennstoff zufuhr signal S. erzeugt wird. Das Signal S₄ steuert eine Brennstoffzuführeinrichtung, beispielsweise eine Einspritzpumpe oder einen elektronisch gesteuerten Vergaser der Brennkraftmaschine 1. Die Maschine wird daher mit Brennstoff in einer Menge versorgt, die dem Betriebszustand der Maschine entspricht, so daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches auf einem gewünschten Wert gehalten werden kann, der einem vorgegebenen Luft-Brennstoff-Verhältnis entspricht. Wenn die Reinigungseinrichtung 4 ein sogenannter katalytischer Dreiwege-Konverter ist, der zugleich Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoff (HC) oxidiert und Stickoxide (NOx) reduziert, kann der Wert des vorgegebenen Luft-Brennstoff-Verhältnisses in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnisses liegen (14,8 : 1).

Der Auspuffgassensor 3, der für die erwähnte Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses verwendet wird, ändert üblicherweise seine Charakteristik entsprechend der Temperatur in der Umgebung des Auspuffgassensors 3. Bei einem Zirkon-Detektor zur Abtastung der Sauerstoffkonzentration, der üblicherweise als Auspuffgassensor verwendet wird und dessen elektrische Äquivalenzschaltung in Fig. 2B gezeigt

030043/Ό915

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER ^lSSan GO31-80

TÖH633

ist, ist eine Parallelschaltung einer Zelle, deren elektromotorische Kraft sich entsprechend der Sauerstoffkonzentration ändert, und eines inneren Widerstandes vorgesehen, dessen Widerstandswert entsprechend der Temperatur des Sensors wechselt. Da der Wert des inneren Widerstandes eine in Fig. 3 gezeigte Charakteristik aufweist, steigt er bei niedrigen Temperaturen des Sensors an, so daß es schwierig ist, eine elektromotorische Kraft zu erfassen. Es ist daher notwendig, das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches, das der Maschine zuzuführen ist, bei niedriger Temperatur des Auspuffgases in einer offenen Regelung zu steuern und üblicherweise das Luft-Brennstoff-Verhältnis konstant zu halten, dagegen eine geschlossene Regelschleife oder Rückkopplungsregelung zu verwenden, wenn die Temperatur des Auspuffgassensors einen bestimmten Wert erreicht, der für den Betrieb des Sensors geeignet ist.

Ein Verfahren zur Messung der Temperatur des Auspuffgassensors besteht in der Abtastung einer Spannungsänderung, die abhängt von einer Änderung des inneren Widerstandes, der wiederum abhängig ist von der Temperatur. Dies kann gesehen durch Zufuhr eines Stromes zu dem Auspuffgassensor von außen. Wenn ein konstanter Strom dem Auspuffgassensor zugeführt wird, ergibt sich folgende Ausgangsspannung V des Auspuffgassensors:

V_Q = e+pi (1)

Wie aus dieser Gleichung hervorgeht, nimmt der Wert V ab, wenn der innere Widerstand bei ansteigener Temperatur sinkt. Es ist daher zweckmäßig, den Betrieb mit geschlossener Regelschleife aufzunehmen, wenn V unter einen vorgegebenen Wert sinkt.

Es ist bekannt, daß es vorteilhaft ist, einen Vergleichswert V zu variieren, um zu entscheiden _r ob das Luft-Brennstoff-Verhältnis gemäß dem Signal S2 des Auspuffgas-

030043/0915

Nissan G031-80 TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

- 10 -

sensors höher oder niedriger liegt. Dieses ist günstiger, als den Verlgeichswert konstant zu halten, und zwar unter dem Gesichtspunkt der Kompensation der Änderungen des Ausgangssignals des Auspuffgassensors bei niedriger Temperatur, bei der die Funktion nicht sichergestellt ist. Mit Hilfe des erwähnten Vergleichssignals V kann das Luft-Brennstoff-Verhältnis beispielsweise dadurch eingestuft werden, daß es als niedriger als das vorgegebene Luft-Brennstoff-Verhältnis gilt, wenn S₉ ^ V ist, während bei über dem vorgegebenen Wert liegenden Luft-Brennstoff-Verhältnis S₀< V gilt.

Ein Verfahren zur Änderung des Vergleichssignals V entsprechend dem Ausgangszustand des Auspuffgassensors besteht beispielsweise darin, den Vergleichswert V als Durchschnittswert zwischen einem Maximalwert, d.h. einem zu fetten Gemisch, und einem Minimalwert, d.h. einem zu mageren Gemisch, bezogen auf die Ausgangssignale des Auspuffgassensors anzusetzen. Außerdem wird die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung V des Auspuffgassensors und dem Vergleichswert V für die Unterscheidung verwendet, ob der Auspuffgassensor in einem für den Normalfall betriebsbereiten Zustand ist. Mit anderen Worten, bei niedrigen Temperaturen ist der innere Widerstand des Auspuffgassensors höher, so daß die Ausgangsspannung V höher ist, wenn ein Strom dem Auspuffgassensor von außen zugeführt wird. Wenn daher der Zustand

V }V über einen vorgegebenen Zeitraum hinaus fortbesteht, wird der Auspuffgassensor als nicht mehr betriebsbereit angesehen, so daß die Rückkopplungssteuerung unterbrochen wird. Wenn andererseits der Auspuffgassensor betriebsbereit ist, gilt für den Wert V abwechselnd die Beziehung V > V und

V <C V , je nachdem, wie das Luft-Brennstoff-Gemisch beschaffen ist. Wenn daher während der Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung die Beziehung V <V eintritt, befindet sich

O S

der Auspuffgassensor in betriebsbereitem Zustand, so daß die Rückkopplungssteuerung eingeschaltet werden kann.

Wenn die Temperatur der Maschine niedrig ist, wie es bei-

030043/0915

TER MEER · MÖLLER · STEINMEISTER Nissan G031-80

- 11 -

spielsweise beim Kaltstart der Maschine der Fall ist, ist es notwendig, das Luft-Brennstoff-Gemisch anzureichern, so daß es kleiner als das vorgegebene Luft-Brennstoff-Gemisch wird, wenn ein stabiler Lauf der Maschine erzielt werden soll. Insoweit wird die Rückkopplungssteuerung des Luft-Brennstoff-Gemisches unterbrochen und in offener Regelung gesteuert, wenn der Maschine bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise unter 10⁰C ein fetteres Gemisch zugeführt werden soll.

Wie erwähnt wurde, erfolgt die Abschaltung oder Einschaltung der Rückkopplungssteuerung der Brennstoffzufuhr sowohl hinsichtlich der Erwärmung des Auspuffgassensors als auch hinsichtlich der Maschinentemperatur. Es sei darauf hingewiesen, daß die Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung bereits dann erfolgt, wenn wenigstens eine der beiden Bedingungen vorliegt.

Bei dieser Brennstoff-Rückkopplungssteuerung treten unvermeidlich die folgenden Probleme auf. Der Einschaltungszeitpunkt der Rückkopplungssteuerung wird verzögert, so daß sich ein fehlerhafter Steuerbereich ergibt, in dem das Gemischverhältnis von Luft und Brennstoff weiter verringert wird, obgleich es bereits unter dem vorgegebenen Wert liegt. Dies hängt davon ab, daß das Vergleichssignal V während der Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung aufgrund niedriger Maschinentemperatur nicht variiert wird. Ein weiterer Grund besteht darin, daß der Erwärmungszustand des Auspuffgassensors nicht abgetastet wird. Der Vergleichswert V und der Wert des Stromes i liegen fest.

Die Erfindung zielt darauf ab, die genannten Nachteile der Rückkopplungssteuerung dadurch zu überwinden, daß der Vergleichswert V auch während der Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung aufgrund niedriger Maschinentemperatur variiert wird. Im übrigen wird zusätzlich der Zustand des Auspuffgassensors unmittelbar abgetastet anhand der Ver-

03GG43/0915

Nissan G031-80 TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

- 12 -

änderung des Stromes i und des Vergleichswertes V , wenn die Rückkopplungssteuerung aufgrund niedriger Maschinen— temperatur unterbrochen ist.

Die Arbeitsweise dieses Rückkopplungssteuersystems soll anschließend anhand der Figuren 4,5A,5B und 5C erläutert werden.

Fig. 4 ist ein Schaltdiagramm des Bereiches 7 der Steuereinheit 5 gemäß Fig. 1, der zuständig ist für die Rückkopplungssteuerung. Fig. 5A und 5B veranschaulichen Signalwellenformen für den Fall, daß die Kühlmitteltemperatur unter der vorgegebenen Temperatur (10⁰C) zu einem Zeitpunkt T₁ liegt, so daß ein übergang erfolgt von einem Rückkopplungsbereich (X) zu einem Bereich ohne Rückkopplungssteuerung (Y), in dem die Wellenform in Fig. 5A als inaktiv und in Fig. 5B als aktiv erscheint. Demgegenüber zeigt Fig. 5C die Signalwellenform für den Fall, daß die Kühlmitteltemperatur der Maschine über dem vorgegebenen Wert liegt, so daß die Rückkopplungssteuerung wieder eingeschaltet wird.

Gemäß Fig. 4 wird ein Signal, das in Fig. 1 mit S- bezeichnet wird und eine Spannung V aufweist, von dem Auspuffgassensor 3 einer Eingangsklemme 100 zugeführt. Demgegenüber gelangt ein Steuersignal S-, gemäß Fig. 1 an die Eingangsklemme 101. Das Ausgangssignal· V des Auspuffgassensors wird an einen Komparator 21 übertragen und mit der Vergleichsspannung V verglichen. Der Ausgang des Komparators

21 befindet sich auf niedriger Stufe, wenn V >V , und er

schaltet um auf höhere Stufe bei V < V . Da ein Kondensator

ο s

190 rasch durch eine Diode 172 aufgeladen werden kann, wenn sich der Ausgang des Komparators 21 auf hohem Wert befindet, überschreitet die Klemmenspannung des Kondensators einen vorgegebenen Wert V , der festgelegt wird durch Widerstände 117 und 128, so daß der Ausgang des Komparators

22 den niedrigen Wert annimmt.

030043/0915

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER Nissan GO 3 1-80

4633

- 13 -

Wenn sich andererseits der Komparator 21 auf niedrigem Ausgangswert befindet, wird die elektrische Ladung des Kondensators 190 nach und nach über die Widerstände 126 und 127 abgebaut, so daß die Klemmenspannung des Kondensators 190 unter den Vergleichswert V _T nach vorgegebenem Zeitraum absinkt. Dieser Zeitraum, der als Überwachungszeit T_M bezeichnet werden soll, hängt ab vom Widerstandswert der Widerstände 126 und 127 und der Kapazität des Kondensators 190. Dadurch gelangt der Ausgang des Komparators 22 auf hohen Wert.

Der Vergleichswert V und die Ausgangsspannung V des Auspuffgassensors ändern sich entsprechend dem Strom i, der dem Auspuffgassensor über Dioden 180 und 181 zugeführt wird.

Der Wert V und der Wert i werden erfaßt durch eine Integrierschaltung, die gebildet wird durch Transistoren 11 und 12, einen Kondensator 191 etc. Während der Eingang dieser Integrierschaltung in diesem Falle des Ausgang der Komparatoren 21 und 22 entspricht, kann das Eingangssignal ein Impulssignal sein, durch das die Brennstoffeinspritzung gesteuert wird, sofern ein nicht gezeigtes elektronisch gesteuertes Brennstoffeinspritzsystem verwendet wird.

Wenn sich der Ausgang des Komparators 22 auf hohem Wert befindet, wird ein Transistor 10 leitend, so daß die Ladung des Kondensators 191 über eine Diode 178 abgegeben wird und die Spannung am Punkt C ansteigt. Dieser Vorgang ist unabhängig von der Ausgangsspannung des Komparators 21.

Wenn der Ausgang des Komparators 22 auf niedrigem Wert liegt, wird der Transistor 10 unterbrochen, so daß die Diode 178 ebenfalls unterbrochen und eine Diode 175 entsprechend dem Ausgang des Komparators 21 leitend oder nicht leitend wird. Mit anderen Worten, bei hohem Wert des Ausgangs des Komparators 21 wird die Diode 175 unterbrochen oder nicht leitend und die Diode 176 leitend, und eine entsprechende Spannung am Punkt B wird über die Diode 176

030043/09 15

TER MEER · MÜLLER - STEiNMEISTER hxSSan G031 80

— 3ΙΓΙ4633

- 14 -

einer Integrierschaltung zugeführt, so daß die Spannung am Punkt C abnimmt. Bei niedrigem Wert des Ausgangs des !Comparators 21 wird die Diode 175 leitend und die Diode 176 wird unterbrochen, während die Spannung am Punkt C unverändert bleibt.

Wenn die Spannung am Punkt C ansteigt, werden Dioden 180 und 181 leitend, so daß die Werte V₃ und V_Q ansteigen, wenn beispielsweise der Ausgang des Komparators 22 auf hohen Wert schaltet, nachdem die Überwachungszeit T_M gemäß Fig. 5A abgelaufen ist, steigt die Spannung am Punkt C in der oben erwähnten Weise an, so daß die Werte V₃ und V_Q ebenfalls ansteigen. Wie Fig. 5C zeigt, gilt die Beziehung

V < V von einem Zeitpunkt T^. an, so daß der Ausgang des Komparators auf niedrigen Wert schaltet. Als Ergebnis schaltet darauf der Ausgang des Komparators 22 auf niedrigen Wert. Im übrigen führt der Wechsel von V_Q> V₅ zu

V < V zu einer Rückkopplungssteuerung für den Wert V über

O S

einen Widerstand 114, so daß der Wert V stufenweise ansteigt. Dies führt zu einer Hysteresis-Charakteristik des Wertes V , so daß ein unruhiger oder ungleichmäßiger Lauf

der Maschine vermieden wird. Aus demselben Grunde ändert sich der Wert V stufenweise ebenfalls innerhalb des Rückkopplungsbereichs X gemäß Fig. 5A und 5B, in denen der Wert V abnimmt, wenn V > V ist, und ansteigt, sofern ^Vo<V

Nach dem Zeitpunkt T₃ wird die Spannung am Punkt B über die Diode 156 der Integrierschaltung zugeführt, so daß die Spannung am Punkt C nach und nach abnimmt. Folglich fallen die Spannungen V und V ebenfalls ab. Es gilt sodann

V y V zum Zeitpunkt T₄, so daß der Ausgang des Komparators 21 auf niedrigen Wert umschaltet. In diesem Augenblick fällt der Wert V stufenweise entsprechend den erwähnten Hysteresis-Charakteristika ab, und danach wird die Spannung am Punkt C auf einem konstanten Wert gehalten, bis

wiederum V < V gilt und der Wert V ebenfalls konstant os s

0300-43/0915

TER MEER -MÖLLER ■ STEINMEISTER K^SSan G031-80

gehalten wird. Der Wert V ändert sich entsprechend der Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches.

Mit der negativen Eingangsklemme des Komparators 23 ist der Ausgang des !Comparators 21 über eine Diode 183 verbunden. Der Ausgang des Komparators 22 steht über eine Diode 182 und der Ausgang des Komparators 25 über eine Diode 184 mit dem negativen Eingang des Komparators 23 in Verbindung.

Wenn der Ausgang des Komparators 22 auf niedrigem Wert steht, gelangt das Ausgangssignal des Komparators 21 an den Komparator 23, wird invertiert und anschließend an die Integrierschaltung 24 übertragen, die ein Steuersignal erzeugt, daß eine integrierte Charakteristik aufweist und von der Ausgangsklemme 101 aus übertragen wird.

Wenn anschließend der Ausgang des Komparators 22 einen hohen Wert annimmt, geht der Ausgang des Komparators 22 auf niedrigen Wert über, unabhängig von dem Ausgangswert des Komparators 21, so daß das Ausgangssignal der Integrierschaltung 24 ansteigt. Das Ausgangssignal des Komparators 22 gelangt über die Diode 187 ebenfalls an einen Komparator 26. Wenn daher der Ausgang des Komparators 22 auf hohem Wert liegt, nimmt der Ausgang des Komparators 26 einen niedrigen Wert an. Folglich wird der obere Grenzwert der Spannung an der Ausgangsklemme 101 gesenkt. Da die Sättigungsspannung der Integrierschaltung 24 dann sinkt, erreicht der Ausgang der Integrierschaltung 24 die Sättigungsspannung und wird konstant. Mit anderen Worten, die Rückkopplungssteuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses wird unterbrochen. Dabei handelt es sich um eine Rückkopplungsfunktion entsprechend dem Erwärmungszustand des Auspuffgassensors .

Ein nicht gezeigter Thermistor ist mit einer Eingangsklemme 102 verbunden. Der Thermistor weist eine derartige Cha-

030043/091 5

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER Nissan GO31-8O

- 16 -

rakteristik auf, daß sein Widerstandswert mit einem Temperaturanstieg sinkt. Der Thermistor tastet die Temperatur des Kühlmittels der Maschine ab. Wenn die Kühlmitteltemperatur einen vorgegebenen Wert, beispielsweise 10⁰C unterschreitet, nimmt der Ausgang des Komparators 25 einen hohen Wert an. Folglich schalten die Ausgänge der Komparatoren 23 und 26 auf niedrige Werte um, so daß die Rückkopplungssteuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses unterbrochen wird. Dabei handelt es sich um eine Rückkopplungsfunktion entsprechend der Temperatur der Maschine bzw. des Kühlmittels der Maschine.

Es ergibt sich also aus der vorstehenden Beschreibung in Verbindung mit der Schaltung der Fig. 4, daß bei niedriger Kühlmitteltemperatur unterhalb von etwa 10⁰C während der Rückkopplungssteuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses folgendes Konsequenzen eintreten: (1) Die Rückkopplungssteuerung wird unterbrochen, (2) es gilt die Beziehung V _) V , da die Brennstoffmenge wegen der niedrigen Maschi-ηentemperatur erhöht wird, (3) die Vergleichsspannung V und der Strom e und damit die Spannung V_Q werden erhöht, nachdem die Überwachungszeit T abgelaufen ist und (4) die Vergleichsspannung V und die Ausgangsspannung V ändern

s ο

sich gemäß Fig. 5A, wenn der Auspuffgassensor in inaktivem Zustand ist, und ändern sich gemäß Fig. 5B, wenn der Auspuffgassensor in aktivem Zustand ist.

In diesem Falle liegt daher die Kühlmitteltemperatur zu einem Zeitpunkt T₁ unter 1O⁰C, und sie sinkt zwischen den Zeitpunkten T₁ und T₅ nicht unter 10⁰C ab, jedoch wird die Rückkopplungssteuerung des Luft-Brennstoff-Gemisches nicht, vor dem Zeitpunkt T₅ aufgenommen. Mit anderen Worten, die Wiederaufnahme der Rückkopplungssteuerung wird um die Uberwachungszeit T verzögert. Dies ist nachteilig.

Wenn die Rückkopplungssteuerung nach einer Unterbrechung bei einer Kühlmitteltemperatur unter 10⁰C wiederaufgenom-

030043/0915

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan G031-80

men wird, ändern sich die Vergleichsspannung V und die Ausgangsspannung V gemäß Fig. 5C. Da jedoch (a) die Brennstoffmenge bei niedriger Temperatur während der Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung erhöht wird, wird die Bedingung (V > V ) festgehalten. Zu dem Zeitpunkt, an dem die Bedingung geändert wird in V < V , wird der Wert V einmal stufenweise erhöht und fällt sodann nach und nach ab. In dem Falle, daß (b) die Kühlmitteltemperatur nicht unter 1O⁰C zum Zeitpunkt T~ absinkt, wird die Rückkopplungssteuerung zu diesem Zeitpunkt T₂ wieder aufgenommen. Da jedoch die Bedingung V { V vom Zeitpunkt T~ bis zum Zeitpunkt T. gilt, wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis derart gesteuert, daß das Luft-Brennstoff-Gemisch weiter angereichert wird, obgleich das Gemisch ausreichend fett ist.

Insoweit stellt ein Bereich X¹ einen Bereich der Fehlsteuerung dar. Im übrigen gilt (c) zum Zeitpunkt T. die Beziehung V y V , so daß eine normale Steuerung durchgeführt wird. Wie oben erwähnt wurde, ergibt sich der Bereich der Fehlsteuerung in dem zuvor erläuterten System der Rückkopplungssteuerung.

Im Hinblick auf diese Gesichtspunkte ist die Erfindung auf eine Abhilfe der bestehenden Nachteile gerichtet, wie im Folgenden anhand der Figuren 6,7A,7B und 7C erläutert werden soll.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung, bei der ein durch eine gestrichelte, rechteckige Linie umgebener Bereich 20 0 der Schaltung der Fig. 4 hinzugefügt worden ist. Die Klemmen W., X₁, Y₁ und Z₁ der Schaltung sind verbunden mit den Klemmen W' , X'.., Y'.. und Z' des Bereiches 200. Gleiche Bezugsziffern und Symbole betreffen gleiche Teile wie in Fig. 4.

Zunächst ist ein Transistor 13 vorgesehen, der bei einer Maschinen-Kühlmitteltemperatur unter 10⁰C, bei dem der Ausgang des Komparators 25 auf hohen Wert geschaltet ist,

03CC43/09 15

TER MEER · MÜLLER - STEINMEISTER Nissan GO 31-80

über einen vorbestimmten Zeitraum aufgrund einer Differenzierungsschaltung leitend wird, die durch einen Kondensator 194 und einen Widerstand 161 gebildet wird. Die Ladung des Kondensators 190 wird über die Diode 188 während des vorbestimmten Zeitraums abgebaut, so daß die Ausgangsspannung des Komparators 22 auf hohen Wert umschaltet. Wenn daher die Temperatur des Kühlmittels unter 10⁰C liegt, kann der Ausgang des Komparators 22 unmittelbar auf hohen Wert umgeschaltet werden, ohne daß die Überwachungszeit T abgewartet werden muß.

Es kann daher durch Schließen oder Öffnen eines Schalters 195 gewählt werden, ob der Strom einen Widerstand 162 umgeht oder nicht. Wenn die Rückkopplungssteuerung entsprechend der Kühlmitteltemperatur nicht unterbrochen wird, sofern die Temperatur des Kühlmittels nicht unter 10⁰C liegt, befindet sich der Ausgang des Komparators 25 auf einem niedrigen Wert. In diesem Augenblick wird der Schalter geschlossen und die Spannung am Punkt C wird auf niedrigem Wert entsprechend dem Ausgang des Komparators 21 gehalten, da die Verbindung durch eine Diode 189 derjenigen der Diode 175 in Fig. 4 entspricht. Wenn anschliessend die Rückkopplungssteuerung bei einer Kühlmitteltemperatur von unter 10⁰C unterbrochen wird, nimmt der Ausgang des Komparators 25 den hohen Wert, und in diesem Augenblick wird der Schalter 195 geöffnet, so daß der Widerstand 162 in Reihe mit der Diode 189 geschaltet wird. Wenn sich der Ausgang des Komparators 21 auf hohem Wert befindet, wird die Diode 189 nicht leitend, wie es in entsprechender Weise gemäß Fig. 4 der Fall ist, und demzufolge wird die Diode 176 leitend, so daß die Spannung am Punkt C allmählich abnimmt. Wenn der Ausgang des Komparators 21 auf niedrigen Wert schaltet, wird die Spannung am Punkt B durch den Widerstand 162 geteilt, und daher wird die Geschwindigkeit des Spannungsabfalls am Punkt C verringert, obwohl die Diode 176 leitend ist. In der Schaltung der Fig. 4 wird vergleichsweise die Spannung am Punkt C auf

030043/0915

Nissan G031-80

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

- 1^r -

konstantem Wert gehalten, wenn der Ausgang des Komparator s 21 auf niedrigem Wert liegt. Erfindungsgemäß nimmt jedoch die Spannung am Punkt C allmählich ab.

Wenn erfindungsgemäß die Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung entsprechend der Erwärmung des Auspuffgassensors nicht durchgeführt wird und sich der Auspuffgassensor in seinem aktiven Zustand befindet, und wenn die Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung nur im Zusammenhang mit der Kühlmitteltemperatur erfolgt, nimmt der Wert V allmählich ab, obgleich V > V ist. Dies besagt, daß sich der Ausgang des Komparators 21 auf niedrigem Wert befindet. Die Rückkopplungssteuerung wird sodann unverzüglich eingeleitet, wenn die Kühlmitteltemperatur beispielsweise nicht niedriger als 10⁰C ist, und sodann ändert sich der Wert V in zwei Stufen mit zwei Arten von Neigungen entsprechend der Beziehung zwischen den Werten V und V .

Wenn daher bei der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß Fig.

7A und 7B die Kühlmitteltemperatur unter 1O⁰C absinkt, wird die Rückkopplungssteuerung unterbrochen, und außerdem steigen der Vergleichswert V und der Strom i und damit der Wert V des Auspuffgassensors unverzüglich an. Folglich ergibt sich aus einem Vergleich der Figuren 5B und 7B, daß die Einschaltung der Rückkopplungssteuerung um die Überwachungszeit T beschleunigt wird. Im übrigen wird in dem Falle, in dem die Rückkopplungssteuerung aufgrund einer Kühlmitteltemperatur unter 1O⁰C unterbrochen worden ist, der Vergleichswert V und der Strom i des Auspuffgassensors nach und nach gesenkt, wie Fig. 7C zeigt, obwohl V > V ist. Die Abfallgeschwindigkeit ist, solange V > V gilt, geringer als im Falle V < V . Wenn daher die Kühlmitteltemperatur nicht unter 10⁰C zum Zeitpunkt T~ absinkt, kann die normale Rückkopplungssteuerung zum Zeitpunkt T„ eingeleitet werden, so daß ein Fehlsteuerungsbereich, wie er sich in Fig. 5C ergibt, nicht entsteht. Es liegt auf der Hand, daß Fig. 5C und 7C diejenigen Zu-

030043/0915

ER MEER ■ MÜLLER · STEINMEISTER Nissan G031-80

- 20 -

stände veranschaulichen, in denen die Rückkopplungssteuerung wieder aufgenommen worden ist, nachdem die Kühlmitteltemperatur nach einer Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung aufgrund einer Absenkung der Kühlmitteltemperatur angestiegen ist.

Während der Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung aufgrund eines Absinkens der Kühlmitteltemperatur erfolgt die Erwärmung des Auspuffgassensors üblicherweise derart, daß der innere Widerstand des Auspuffgassensors abnimmt und der Wert V sinkt. Als Ergebnis wird daher gemäß Fig. 5C die Beziehung zwischen den Werten V und V während der Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung umgekehrt, und anschließend konnte bisher ein Bereich einer fehlerhaften Rückkopplungssteuerung beginnen.

Erfindungsgemäß ist die Schaltung dagegen derart aufgebaut, daß der Wert V nach und nach aufgrund der Wirkung des Widerstandes 162 und des Schalters 195 abnimmt, und die Möglichkeit, daß die Beziehung V)V umgekehrt wird, ist außerordentlich gering im Vergleich zu dem System der Figuren 4 bis 5C.

Da ein Zirkon-Sensor zur Abtastung der Sauerstoffkonzentration die in Fig. 2A gezeigte Charakteristik aufweist, steigt der Wert V , wenn das der Maschine zugeführte Gemisch fett ist. Während einer Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung aufgrund eines Absinkens der Kühlmitteltemperatur wird das Luft-Brennstoff-Gemisch aufgrund der Zunahme des Brennstoffs fett, so daß üblicherweise V_O>V_S ist.

Fig. 8 zeigt eine Schaltung entsprechend einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der die Steuerung mit HiI-fe eines Mikrocomputers erfolgt. Bei der Schaltung der Fig. 8 sind die verschiedenen Komparatoren und Integrierschaltungen der Schaltung der Fig. 6 ersetzt durch ein

030043/0915

TER MEER · MÜLLER - STEINMEISTER Nissan GC31 80

- 21 -

Programm des Mikrocomputers, in dem eine Schaltung zur Zufuhr eines Stromes zu dem Auspuffgassensor fest eingebaut und durch das Programm gesteuert ist.

In diesem Falle ist die Schaltung zur Zufuhr eines Stromes zu dem Auspuffgassensor nicht mit einer Integrierschaltung versehen, die in Fig. 6 gezeigt ist und die kontinuierliche Variierung des Wertes des elektrischen Stromes ermöglicht. Folgich wird der Wert des elektrischen Stromes in diesem Falle stufenweise in drei Stufen geändert, so daß die Steuerung mit Hilfe des Mikrocomputers erleichtert wird. Die drei Stufen entsprechen den Stellungen a,b und c eines Schalters SW. in Fig. 9. Dementsprechend ändert sich die Spannung V stufenweise in den drei Stufen. Der Strom i, der dem Auspuffgassensor zugeführt wird, ändert sich mit der Spannung V ebenfalls stufenweise in drei Stufen, Diese Stufen sind mit "niedrig", "mittel" und "hoch" entsprechend der Reihenfolge der Größe des Wertes V bezeichnet, wie es in Fig. 9 0 erkennbar ist.

Fig. 10 veranschaulicht ein Beispiel eines Programms zur Durchführung der Steuerung durch Abtastung der Erwärmung des Auspuffgassensors durch Zufuhr eines Stromes zu dem Auspuffgassensor unter Verwendung der Schaltung der Fig. 8. Das Programm der Fig. 10 läßt sich erklären aufgrund eines Abtastbereiches für die Kühlwassertemperatur einer Maschine in einem System, in dem die Brennstoffzufuhr korrigiert wird entsprechend einer Information des Auspuffgassensors.

Wenn die Temperatur des Kühlmittels nicht niedriger als ein vorgegebener Wert liegt, wie etwa 10⁰C, erfolgt eine normale Steuerung, d.h., die Korrektur der Brennstoffzufuhr wird errechnet entsprechend der Beziehung zwischen dem Wert V des Auspuffgassensors und dem Vergleichswert V . Wenn die Kühlmitteltemperatur unter dem vorgegebenen

030043/0915

TER MEER - MÜLLER ■ STEINMEISTER NisSctil G031-80

- 22 -

Wert liegt, gelangt das Programm über die Stufe 700 zu der Stufe 701. In der Stufe 700 wird ein Signal entsprechend der abgetasteten Kühlmitteltemperatur mit vorgegebener Periode, beispielsweise synchron zu der Drehzahl der Maschine zugeführt. In der Stufe 701 wird unterschieden, ob die Kühlmitteltemperatur unter dem vorgegebenen Wert zum erstenmal gegenüber dem vorangegangenen Temperaturwert liegt, der sich nicht unter dem vorgegebenen Wert befand. Sodann bewegt sich das Programm von der Stufe zu den Stufen 702 oder 70 9. In den Stufen, die der Stufe 702 folgen, werden die Werte V und V gemäß Fig. 7A und 7B erfaßt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Wert V in diesem Falle einen oberen Grenzwert aufweist. Während V(V ist, wird die Steuerung unterbrochen, so daß der Korrekturwert beispielsweise auf einen zuvor festgelegten

Wert angesetzt werden kann. Sobald V^V ist, wird die ³ s = ο

Steuerung wieder aufgenommen. Zu diesem Zeitpunkt erreicht der Stromfluß zu dem Auspuffgassensor den Wert "mittel" gemäß Fig. 9.

20

Beim Übergang von der Stufe 701 zu der Stufe 70 9 wird unterschieden, ob die Unterbrechung der Steuerung durch eine Überwachungsfunktion ausgelöst worden ist oder nicht, und sodann wird der Wert V verringert, wenn die Unterbrechung der Steuerung nicht auf einer Uberwachungsfunktion beruht hat. Die Unterscheidung in der Stufe 70 9 wird ausgeführt unter Verwendung des Ergebnisses, das einem anderen Bereich des Programms entnommen wird» Der Vergleichswert V wird entsprechend der Beziehung zwischen V und V in einer

S O Weise gesenkt, daß V\ nach und nach abnimmt, wenn V < V

S SO

ist, verglichen mit dem Verhältnis V >V . Gemäß Fig. 10

S O

beträgt die Abnahmegeschwindigkeit bei V <V ein Viertel derjenigen bei V ) V . Es ergibt
wie bei der Schaltung der Fig. 6.

derjenigen bei V ) V . Es ergibt sich dieselbe Funktion

35

Eine Wiederaufnahme der Steuerung im Anschluß an eine Stufe 708 bedeutet eine Aufhebung der Unterbrechung der

030043/0915

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan G031~80

30U633

- 23 -

Steuerung aufgrund einer Erwärmung des Auspuffgassensors. Zu diesem Zeitpunkt liegt die Kühlmitteltemperatur unter 10°C, so daß die Rückkopplungssteuerung unterbrochen bleibt, da die Unterbrechung der Steuerung aufgrund der Kühlmitteltemperatur fortbesteht.

Erfindungsgemäß wird selbst bei einer Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung aufgrund einer niedrigen Maschinentemperatur der Vergleichswert V variiert. Wenn im übrigen die Rückkopplungssteuerung unterbrochen ist wegen einer Abnahme der Maschinentemperatur während der Rückkopplungssteuerung, wird die Erwärmung des Auspuffgassensors abgetastet durch Veränderung des Vergleichswertes V und des Stromes i, der dem Auspuffgassensor zugeführt wird. Die Einleitung der Rückkopplungssteuerung wird beschleunigt, und die Möglichkeit einer Fehlsteuerung kann außerordentlich verringert werden, so daß die Emissionskontrolle wesentlich verbessert wird.

20

030043/0915

Claims

PAT E N TA N WA LTE

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter Prof. Representatives before the European Patent Office - Mondatairos agrees pres !'Office europeen des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister

Dipl.-lng. F. E. Müller siekerwall 7

Triftstrasse 4, bieKerwaii /,

D-8000 MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD

G031-80

St/ri 16. April 1980

Nissan Motor Co., Ltd.

No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku,

Yokohama City, Japan

Verfahren und Vorrichtung zur Rückkopplungssteuerung einer Brennkraftmaschine

PRIORITÄT: 16. April 1979, Japan, No. 54-45326

PATENTANSPRÜCHE

(ly Verfahren zur Rückkopplungssteuerung der Brennstoffzufuhr einer Brennkraftmaschine, bei dem das Luft-Brennstoff-Verhältnis eines der Maschine zugeführten Gemisches auf einem vorgegebenen Wert durch Korrektur der zugeführten Brennstoffmenge mit Hilfe eines Steuersignals gehalten wird, das von der Abweichung des Ausgangssignals eines die Konzentration eines Bestandteils der Auspuffgase abtastenden Auspuffgassensors von einem Vergleichswert abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Auspuffgassensor

030043/0915

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER Niissan G031-80

ein Strom zugeführt wird, daß das Vergleichssignal entsprechend dem Ausgangssignal des Auspuffgassensors variiert wird, daß Einleitung und Unterbrechung des Rückkopplungsbetriebes gesteuert werden entsprechend der Beziehung zwischen dem Vergleichssignal und dem Ausgangssignal des Auspuffgassensors, daß aufgrund des diesem zugeführten Stromes erzeugt wird, daß im übrigen zur Einleitung und Unterbrechung des Rückkopplungsbetriebes die Maschinentemperatur herangezogen wird, daß das Vergleichssignal und der dem Auspuffgassensor zugeführte Strom unverzüglich bei Unterbrechung des Rückkopplungsbetriebes aufgrund der Maschinentemperatur variiert werden, und daß das Vergleichssignal über den Zeitraum der Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung aufgrund der Maschinentemperatur variiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Basiswert der der Maschine zuzuführenden Brennstoffmenge anhand von Betriebsparametern der Maschine ermittelt wird, daß dieser Basiswert entsprechend dem Steuersignal variiert wird, daß von der Abweichung des Signals des Auspuffgassensors von dem Vergleichssignal abhängt, daß das Vergleichssignal entsprechend dem Ausgangssignal des Auspuffgassensors variiert wird, daß die Einleitung und Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung entsprechend der Beziehung zwischen dem Vergleichssignal· und dem Ausgangssignal des Auspuffgassensors gesteuert werden.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Stromquelle zur Zufuhr eines Stromes (i) zu einem Auspuffgassensor (3), eine Einrichtung zur Änderung des Vergleichssignals (V ) entsprechend dem Ausgangssignal des Auspuffgassensors, eine Steuereinrichtung zur Einleitung und Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung entsprechend der Beziehung zwischen dem Vergleichssignal (V ) und dem Ausgangssignal (V ) des Auspuffgassensors, welches Ausgangs-

030043/0915

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan G031-80

signal aufgrund des zugeführten Stormes erzeugt wird, eine Einrichtung zur Einleitung und Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung entsprechend der Maschinentemperatur, eine Einrichtung (200) zur unverzüglichen Änderung des Vergleichssignals (V ) und des dem Auspuffgassensor (3) zugeführten Stromes (i) bei Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung aufgrund der Maschinentemperatur, sowie eine Einrichtung (200) zur Änderung des Vergleichssignals (V ) mit dem Ablauf der Zeit der Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung aufgrund der Maschinentemperatur.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichssignal (V ) und der dem Auspuffgassensor (3) zugeführte Strom (i) unmittelbar bei Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung angehoben werden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichssignal (V ) während der Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung auch dann abgesenkt wird, wenn das Ausgangssignal des Auspuffgassensors größer als das Vergleichssignal ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahmegeschwindigkeit des Ver- gleichssignals geringer ist als in dem Falle, in dem das Ausgangssignal· des Auspuffgassensors (V ) niedriger ist als das Vergleichssignal (V ).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Maschinentemperatur ein Temperaturfühler im Kühlmittel vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung bei einer Kühlmitteltemperatur unter einem vorgegebenen Wert und zur Einleitung der Rückkopp-

030C43/0915

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan GO 31-80

lungssteuerung bei einer Kühlmitteltemperatur, die diesen Wert nicht unterschreitet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Wert der Kühlmitteltemperatur bei 10⁰C liegt.

030043/0915