DE3024080A1

DE3024080A1 - Mischungsverhaeltnis-regeleinrichtung fuer eine brennkraftmaschine und steuerverfahren dafuer

Info

Publication number: DE3024080A1
Application number: DE19803024080
Authority: DE
Inventors: Takeshi Atago; Taiji Hasegawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-06-27
Filing date: 1980-06-26
Publication date: 1981-01-29
Also published as: JPS566053A; DE3024080C2; US4363209A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo,
Japan

Mischungsverhältnis-Regeleinrichtung für eine
Brennkraftmaschine und Steuerverfahren dafür

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Regeln des Mischungsverhältnisses des einer
Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs, wobei die Brennkraftmaschine einen thermischen Reaktor aufweist und für Kraftfahrzeuge od. dgl. bestimmt ist.

Bisher wird eine Brennkraftmaschine mit einem thermischen Reaktor verwendet, in dem aus dem Motor abgegebene Abgase
einer Wiederverbrennung mit Nebenluft unterworfen werden, um die aus dem Motor des Kraftfahrzeugs austretenden Abgase zu reinigen. Bei einer einen solchen Reaktor aufweisenden Brennkraftmaschine soll im Niedrigdrehzahlbereich des Motors das diesem zugeführte Gemisch in gewissem Maß angereichert werden, um dadurch die Motorleistung zu erhöhen, während die schließlich in die Atmosphäre austretenden Abgase* gereinigt werden. Die bekannte Einrichtung weist jedoch nicht in zufriedenstelJendem Maß die erwünschten und erwarteten Eigenschaften auf, und es sind Schwierigkeiten

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bei der Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Betriebsaufgetreten, und zwar besonders in dem Betriebszustand, in dem die Saugluftmenge aus Gründen der Abgasreinigung vermindert wird. Ein Drehkolbenmotor ist z. B. eine typische Brennkraftmaschine, die im Niedrigdrehzahibereich mit einem angereicherten Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird.

In der US-PS 3 827 237 ist ein Mischungsverhältnis-Regelverfahren angegeben, bei dem die zugeführte Nebenluftmenge als eine Funktion der Temperatur des thermischen Reaktors einstellbar ist, während die Kraftstoffzufuhrmenge in Abhängigkeit des Ausgangssignals eines O~-Fühlers einstellbar ist. Da jedoch die Nebenluftzufuhr nicht durch denselben O_?-Fühler geregelt wird, der zum Einstellen der Kraftstoffzufuhr dient, sondern in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des anderen, die REaktortemperatur erfassenden Fühlers, kann diese Regeleinrichtung im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine nicht das Mischungsverhältnis aufrechterhalten, das einen optimalen Betriebszustand mit möglichst hoher Genauigkeit gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung und eines Verfahrens zum Einstellen des Mischungsverhältnisses eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, das einer einen Reaktor aufweisenden Brennkraftmaschine zuzuführen ist, wobei der Motor gleichmäßig betrieben werden kann, während eine gleichbleibende und positive Abgasreinigung über den Gesamtbetriebsbereich vom Niedrig- zum Hochdrehzahlbereich dadurch sichergestellt wird, daß im Niedrigdrehzahibereich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird, dessen Mischungsverhältnis (A/F) niedriger als das stöchiometrische Verhältnis ist.

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Die Mischungsverhältnis-Regeleinrichtung nach der Erfindung für eine Brennkraftmaschine ist gekennzeichnet durch einen Vergaser mit einem Niedrigdrehzahl- und einem Haupt-Kraftstoff system, zum Einstellen des Mischungsverhältnisses eines der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs, durch einen thermischen Reaktor, in dem Abgas aus der Brennkraftmaschine mit dem Reaktor zugeführter Nebenluft umgesetzt wird, durch ein Dreiwege-Katalysatorrohr, das mit dem thermischen Reaktor verbunden ist, durch einen Abgaszusammensetzungs-Fühler, der zwischen dem thermischen Reaktor und dem Dreiwege-Katalysatorrohr in einem Auspuffkrümmer angeordnet ist, durch eine Steuerschaltung, die aufgrund des Ausgangssignals des Fühlers ein Steuersignal erzeugt, durch einen Unterdruckerzeuger, der aufgrund des Ausgangssignals der Steuerschaltung einen Unterdruck erzeugt, durch Einheiten zum Einstellen des Niedrigdrehzahlbzw, des Haupt-Kraftstoff systems aufgrund des vom Unterdruckerzeuger erzeugten Unterdrucks, durch eine Einheit zum Einstellen der Nebenluftzufuhr aufgrund des vom Unterdruckerzeuger erzeugten Unterdrucks, und durch einen Erfasser der einen Niedrig- und einen Hochdrehzahlbereich der Brennkraftmaschine erfaßt und ein Ausgangssignal erzeugt, das der Steuerschaltung zum Ändern des Steuersignalpegels zuführbar ist.

Dadurch ist die Zusammensetzung des durch das Dreiwege-Katalysatorrohr strömenden Abgases so einstellbar, daß sie im wesentlichen unverändert bleibt.

Durch die Erfindung wird also eine Mischungsverhältnis-Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine angegeben, mit einem Vergaser zum Einstellen des Mischungsverhältnisses eines dem Motor zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs, einem thermischen Reaktor, in dem die Motorabgase mit dem Reaktor zugeführter Nebenluft umgesetzt werden, einem O_?-Fühler, der

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in einer Abgasleitung zwischen dem Reaktor und einem Dreiwege-Katalysatorrohr angeordnet ist, einem Unterdruckerzeuger, der einen Unterdruck nach Maßgabe des Ausgangssignals des Op-Fühlers erzeugt, einem Erfasser zum Erfassen eines Niedrig- und eines Hochdrehzahlbereichs des Motors, und Einheiten zum Einstellen eines Leerlauf- bzw. eines Haupt-Kraftstoffsystems des Vergasers nach Maßgabe des Unterdrucks derart, daß im Niedrigdrehzahlbereich des Motors das Kraftstoff-Luft-Gemisch angereichert und gleichzeitig die Nebenluftzufuhr erhöht wird, während im Hochdrehzahlbereich dem Motor ein Gemisch mit angenähert stöchiometrischem Mischungsverhältnis zugeführt wird. Ferner wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Steuern der Mischungsverhältnis-Regeleinrichtung angegeben.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Gesamtansicht einer Mischungsverhältnis-Regeleinrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Kennlinie eines Unterdruckerzeugers, der in der Einrichtung nach Fig. 1 vorgesehen ist;

Fig. 3 Kennlinien einzelner in der Einrichtung nach Fig. 1 verwendeter Stellglieder;

Fig. A- eine Leistungskennlinie einer Brennkraftmaschine, mit der die Regeleinrichtung nach der Erfindung bevorzugt verwendet wird;

Fig. 5 eine Grafik, die die Änderung des Unterdrucks um einen Punkt A von Fig. 4- zeigt;

Fig. 6 das Mischungsverhältnis eines der Brennkraftmaschine zugeführten Gemischs gegenüber der Nebenluftzufuhr von einer Luftpumpe;

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Fig. 7 eine Beziehung zwischen einer Luftzahl (dem Überschußluft-Verhältnis), die von einem in der Einrichtung nach Fig. 1 verwendeten 0₂-Fühler erfaßt wird, und der Ansaugluftmenge;

Fig. 8 ein Blockschaltbild der in der Einrichtung

nach Fig. 1 verwendeten Steuerschaltung; und

Fig. 9 Signalverlauf-Diagramme zur Verdeutlichung der Betriebsweise der Steuerschaltung nach Fig. 8.

Nach Fig. 1 wird einer Brennkraftmaschine 1 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aus einem Vergaser 2 zugeführt. Das Mischungsverhältnis des Gemischs wird in der nachstehend erläuterten Weise eingestellt. Der Vergaser 2 umfaßt ein Leerlauf-Kraftstoff system für Niedrigdrehzahlbetrieb in Verbindung mit einem Haupt-Kraftstoff system. Im Leerlauf-Kraftstoff system wird eine durch eine Leerlaufdüsenöffnung 13 dosierte Kraftstoffmenge mit durch eine Leerlauf belüftungsdüse 15 und eine Bypass-Leerlaufbelüftungsdüse IA- angesaugter Luft vermischt und dann durch eine Leerlauf bohrung 20 in einen Saugkanal geleitet. Die Kraftstoffmenge des Gemischs kann durch Verstellen des Öffnungsquerschnitts oder der Öffnung der Bypass-Leerlauf belüftungsdüse 14· mit einem Niedrigdrehzahl-Stellglied 8 (AC,) eingestellt werden. Das Haupt-Kraftstoff system dagegen dient zum Vermischen einer Kraftstoffmenge, die durch eine Hauptdüse 11 und eine Bypass-Hauptdüse 12 dosiert wird, mit durch eine Hauptbelüftungsdüse angesaugter Luft, so daß das resultierende Kraftstoff-Luft-Gemisch durch eine Haupt-Kraftstoffdüse in den Saugkanal gefördert wird. Die durch das Haupt-Kraftstoff system des Vergasers 2 eingeführte Kraftstoffmenge ist einstellbar durch Verstellen des Öffnungsquerschnitts der Bypass-Hauptdüse 12 mit einem Haupt-Stellglied 10 (AC₂). Wenn der Be-

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triebszustand der Brennkraftmaschine 1 durch Ändern des Öffnungsgrads oder der Öffnung einer Drosselklappe 18 geändert werden soll, wirken das Haupt- und das Leerlauf-Kraftstoff system zusammen und bestimmen dadurch das Mischungsverhältnis des der Brennkraftmaschine 1 zugeführten Gemischs.

Das der Brennkraftmaschine so zugeführte Gemisch wird verbrannt und dann in einen thermischen Reaktor 3 geleitet, dem Luft von einer Luftpumpe 19 durch ein Nebenluft-Stellglied 9 (AC-.) zugeführt wird. Infolgedessen kann die dem Reaktor 3 zugeführte Luftmenge durch Verstellen des Öffnungsgrads des Nebenluft-Stellglieds 9 eingestellt werden.

Die Zusammensetzung des Abgases, das im Reaktor 3 erneut verbrannt wurde, wird von einem 0-,-Fühler k, der im Auspuffkrümmer 22 angeordnet ist, erfaßt. Anschließend wird das Abgas durch ein Dreiwege-Katalysatorrohr 5, das mit einem Dreiwege-Katalysator gefüllt ist, zur Atmosphäre abgegeben. Die Katalysatoreigenschaften sind so gewählt, daß das Abgas am besten gereinigt werden kann, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) des dem Motor zugeführten Gemischs einen vorbestimmten Wert (normalerweise IA-,7) hat. D. h., durch Einstellen des Mischungsverhältnisses derart, daß das Abgas eine Zusammensetzung hat, für die der Dreiwege-Katalysator den höchsten Wirkungsgrad hat, kann der Gehalt an giftigen Stoffen im austretenden Abgas auf einen sehr niedrigen Wert vermindert werden. Infolgedessen kann das Abgas schließlich in einem maximal gereinigten Zustand entweder in einem Niedrig- oder einem Hochdrehzahlbereich durch entsprechende Einstellung des Niedrigdrehzahl-Stellglieds 8, des Haupt-Stellglieds 10 und des Nebenluft-Stellglieds 9 des Vergasers 2 abgegeben werden. Nachstehend wird die Arbeitsweise dieser Stellglieder erläutert.

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Das Ausgangssignal des O~-Fühlers 4· wird dem Eingang einer später zu erläuternden Steuerschaltung 6 zugeführt und dort verarbeitet zwecks Erfassung der 0_?-Konzentration in dem den 0,,-Fühler ^ kontaktierenden Abgas. Aufgrund des Signals des Fühlers k erzeugt die Steuerschaltung 6 ein solches Steuersignal für einen Unterdruckerzeuger 7, daß das Mischungsverhältnis des der Brennkraftmaschine 1 zugeführten Gemischs an einen Sollwert angenähert wird. Der Unterdruckerzeuger 7 erzeugt dann einen Unterdruck, dessen Größe dem Eingangs-Steuersignal proportional ist, wodurch das Niedrigdrehzahl-Stellglied 8, das Haupt-Stellglied 10 und das Nebenluft-Stellglied 9 zum Einstellen der Zusammensetzung des mit dem 0,,-Fühler 4 in Kontakt gelangenden Abgases in einer Rückführungsschleife betätigt werden. Hierbei ist zu erwähnen, daß die Steuerschaltung 6 elektrisch an einen Drosselklappen-Schalter bzw. Drehzahlbereichs-Erfasser 21 angeschlossen ist, der mit einer Drosselklappe 18 so verriegelt ist, daß er in einer vorbestimmten Stellung der Drosselklappe 18 betätigbar ist. Das vom Schalter 21 erzeugte Signal bezeichnet den Drosselklappen-Öffnungsgrad. Damit können die Steuerschaltung 6 und somit der Unterdruckerzeuger 7 allen Änderungen des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 1 sehr schnell folgen.

In Fig. 2 ist auf der Abszisse ein Verhältnis (t/T) zwischen der Einschaltdauer t eines Ventils 7A, das einen Teil des Unterdruckerzeugers 7 bildet, und einer Periode T vorbestimmter Länge aufgetragen, während auf der Ordinate ein Unterdruck V aufgetragen ist. Die relative Einschaltdauer

t/T wird auch als Arbeitsphase des Ventils 7A bezeichnet. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist das Ventil 7A mit einer Unterdruckversorgung verbunden, die so steuerbar ist, daß sie ständig einen vorbestimmten Druck hat. Die Unterdruckversorgung selbst ist bekannt und üblicherweise mit dem Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine verbunden. Der dem

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Niedrigdrehzahl-Stellglied 8, dem Haupt-Stellglied 10 und dem Nebenluft-Stellglied 9 zugeführte Unterdruck V ist

in Abhängigkeit von der relativen Einschaltdauer (t/T) des Ventils 7A bestimmbar. D. h., durch Einstellen der relativen Einschaltdauer des Ventils 7A des Unterdruckerzeugers 7 kann das Unterdruck-Ausgangssignal mit einer der relativen Einschaltdauer (t/T) umgekehrt proportionalen Größe vom Unterdruckerzeuger 7 erhalten werden (vgl. Fig. 2). Der Unterdruckerzeuger kann z. B. durch eine elektromagnetische Dreiwegeventil-Einheit gebildet sein.

In Fig. 3, die Kennlinien der einzelnen Stellglieder zeigt, ist der Unterdruck V auf der Abszisse und der Durchgangs-

querschnitt des Stellglieds auf der Ordinate aufgetragen. Der Unterdruck nähert sich nach rechts längs der Abszisse in Fig. 3 dem Vakuum. Die Strichlinienkurve AC, bezeichnet die Kennlinie des Niedrigdrehzahl-Stellglieds 8. Es ist ersichtlich, daß der Öffnungsgrad oder -querschnitt der Bypass-Leerlaufbelüftungsdüse IA- umgekehrt proportional dem Unterdruck abnimmt, während dieser sich zum Vakuum erhöht, was bedeutet, daß die vom Leerlauf-Kraftstoffsystem zugeführte Kraftstoffmenge entsprechend erhöht wird. Die Strichpunktlinie AC- bezeichnet die Kennlinie des Haupt-Stellglieds 10. Wie daraus hervorgeht, vergrößert sich der Öffnungsquerschnitt der Bypass-Hauptdüse 12 als eine ansteigende Funktion des Unterdrucks V , was die Zufuhr einer

entsprechend erhöhten Kraftstoffmenge vom Haupt-Kraftstoffsystem des Vergasers bedingt. Die Vollinienkurve AC, bezeichnet die Kennlinie des Nebenluft-Stellglieds 9. Der dem Reaktor 3 zugeführte Luftstrom nimmt umgekehrt proportional zum Unterdruck V ab, bis der letztere einen vorbestimmten Wert erreicht. Jedes Stellglied ist durch ein Membranventil gebildet und umfaßt eine Ventilspindel, die so angeordnet ist, daß die Einstellung in der erwünschten Richtung gewährleistet ist. Die vorstehend erläuterten Stellglied-Kennlinien

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werden dadurch erhalten, daß zusätzlich zu der Anordnung des Stellglieds relativ zum Unterdruckerzeuger die Ventilspindel und die Federkennlinie der zugehörigen Feder konstruktionsmäßig geeignet gewählt werden, wie dies auf diesem Gebiet bekannt ist.

In Fig. 4·, die eine Betriebscharakteristik der Brennkraftmaschine 1 zeigt, ist eine Saugluftmenge Q. _. auf der Abszisse und das Überschußluft-Verhältnis auf der Ordinate aufgetragen. Wenn die Saugluftmenge Q. _. größer als ein Wert A ist, kann der Motor in einem erwünschten Betriebszustand laufen, vorausgesetzt, daß die Luftzahl bzw. das Überschußluft-Verhältnis λ gleich 1 oder alternativ das Verhältnis gleich IA-,7 ist. Dagegen kann in einem relativ niedrigen Drehzahlbereich, in dem die Saugluftmenge Q. _. kleiner als der Wert A ist, der erwünschte Betriebszustand des Motors erreicht werden, wenn das Verhältnis λ einen höheren Wert von z. B. Λ» = 0,8 hat. Eine typische Brennkraftmaschine mit der vorstehend erläuterten Charakteristik ist z. B. ein Drehkolbenmotor. Dieser Motortyp zeigt eine solche Charakteristik, daß der bevorzugte Betriebszustand im Niedrigdrehzahlbereich dadurch gewährleistet ist, daß das Kraftstoff-Luft-Gemisch etwas fetter gemacht wird.

In dem Betriebsbereich, in dem die Saugluftmenge Q. _f. klein bleibt, spielt das Niedrigdrehzahl-Stellglied 8 eine hervorragende Rolle bei der Änderung des Mischungsverhältnisses, Zu diesem Zeitpunkt wird der Öffnungsquerschnitt der Bypass-Leerlaufbelüftungsdüse I^ durch das Niedrigdrehzahl-Stellglied 8 vergrößert (vgl. Fig. 3). Infolgedessen kann die aus dem Leerlauf-Kraftstoff system zugeführte Kraftstoff menge zwar in Anbetracht der Kennlinie nach Fig. 3 klein erscheinen; der Vergaser ist Jedoch so ausgelegt, daß das Soll-Luft-Kraftstoff -Mischungsverhältnis (ζ. Β. λ = 0,8) für den Niedrigdrehzahlbereich gewährleistet ist durch Einstellen des Öffnungsgrads des Stellglieds 8 auf den Unterdruck

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V , , entsprechend der Luftzahl X=I. Damit ist es möglich, dem Motor ein fettes Gemisch zuzuführen, um die Anforderungen des Motors entsprechend der Charakteristik nach Fig. A- zu erfüllen.

Das Nebenluft-Stellglied 9 dagegen wird im wesentlichen im niedrigen Unterdruckbereich betätigt (vgl. Fig. 3). Infolgedessen kann die Einstellung so erfolgen, daß die Zusammensetzung der Abgase, die am O_-Fühler vorbeiströmen, in A=I resultiert, und zwar durch Ändern der dem Reaktor 3 zugeführten Nebenluftmenge . In dem Bereich, in dem die Saugluftmenge Q. _ des Motors 1 relativ hoch ist, ist der vom Unterdruckerzeuger 7 zugeführte Unterdruck V höher als ein Wert V, . In diesem Zustand wird das Mischungsverhältnis des dem Motor zugeführten Gemischs sowohl durch das Niedrigdrehzahl-Stellglied AC₁ als auch das Haupt-Stellglied AC₂ bestimmt.

Die Grafiken von Fig. 5 und Fig. 6 zeigen die Änderung des

Unterdrucks V als eine Funktion der Zeit am Punkt bzw. c

■Pegel A von Fig. k. Die Erfassung des Pegels A erfolgt durch den Drosselklappen-Schalter 21. Insbesondere wird der Schalter- 21 geschlossen (EIN), wenn die Saugluftmenge geringer als der Wert A ist, und wird geöffnet (AUS), wenn die Saugluftmenge höher als der Wert A ist. D. h., der Schalter 21 wird vom EIN- in den AUS-Zustand und umgekehrt am Punkt A von Fig. k umgeschaltet. Wenn also der Unterdruck sich plötzlich beim Wert V, ändert, ändert sich das Mischungsverhältnis des dem Motor zugeführten Gemischs abrupt. Da eine solche plötzliche Änderung des Mischungsverhältnisses den gleichmäßigen oder ruhigen Lauf des Kraftfahrzeugs beeinträchtigt, ist im Betrieb des Unterdruckerzeugers 7 eine Zeitverzögerung vorgesehen. D. h., selbst wenn das Ventil 7A seine Stellung abrupt ändert, wird die Änderung des Unterdrucks V_c gedämpft. In Fig. 5 bezeichnet die Vollinien-

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kurve die Änderung des Unterdrucks V , wenn die Saugluftmenge Q. _. über den Pegel A von Fig. Ur hinaus erhöht wird, während die Strichlinienkurve die Änderung des Unterdrucks V bezeichnet, wenn die Saugluftmenge Q. _. unter den Pegel A vermindert wird. Aus den Grafiken ist ersichtlich, daß die Änderung des Unterdrucks gedämpft verläuft.

Fig. 6 zeigt die Änderung des Mischungsverhältnisses des dem Motor zugeführten Gemischs (bei A) im Vergleich zu einer Änderung des von der Luftpumpe zugeführten Nebenluftstroms Q. ~.. Es ist ersichtlich, daß beim Übergang vom Niedrig- zum Hochdrehzahlbetrieb oder umgekehrt sowohl das Mischungsverhältnis als auch die Nebenluftmenge langsam, d. h. mit Zeitverzögerung, geändert werden.

Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Luftzahl (bzw. dem Überschußluft-Verhältnis) λ , die vom O_?-Fühler erfaßt wird, und der Saugluftmenge Q. ~.. Wie ersichtlich, erfolgt die Einstellung so, daß die Luftzahl Λ über den gesamten Betriebsbereich vom Niedrig- zum Hochdrehzahlbereich im wesentlichen gleich 1 bleibt. Dabei ist der Dreiwege-Katalysator am wirksamsten und reinigt die Abgase optimal. Im Niedrigdrehzahlbereich unterhalb des Punkts A ist das dem Motor 1 zugeführte Gemisch fett (vgl. Fig. 4). Infolgedessen kann es scheinen, als ob die Luftzahl λ vermindert werden müßte. Da jedoch zu diesem Zeitpunkt eine entsprechend erhöhte Nebenluftmenge zugeführt wird, wird der Wert von λ. stromab vom Reaktor 3 im wesentlichen gleich 1 gehalten, und zwar auch im Betriebsbereich unterhalb des Punkts A (vgl. Fig. 7).

Fig. 8 zeigt im einzelnen die Auslegung der Steuerschaltung 6 nach Fig. 1. Dabei umfaßt die Steuerschaltung 6 zum Steuern des elektromagnetischen Ventils 7A des Unterdruckerzeugers 7 einen Verstärker 30, der das Ausgangssignal des

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O~-Fühlers A- verstärkt, einen Vergleicher 32, der das Ausgangssignal des Verstärkers 30 mit einer Bezugsspannung vergleicht, einen Proportional-Integral-Steuerverstärker (kurz: PI-Steuerverstärker bzw. Integrierglied) 3A-, der das Ausgangssignal des Vergleichers 32 ändert, einen Oszillator 36, der ein Dreiecksignal mit vorbestimmter Frequenz erzeugt, einen Impulserzeuger 38, der ein Rechtecksignal mit gleicher Dauer T wie das Dreiecksignal erzeugt, ein Addierglied bzw. einen Pegelumsetzer A-O, der dem Ausgangssignal des PI-Steuerverstärkers 3A- einen vorbestimmten Spannungspegel· hinzuaddiert, wenn der DrosselWappen-Schalter 21 geschlossen ist, und einen Verstärker 4-2, der das Ausgangssignal des Impulserzeugers 38 verstärkt.

Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Signalverläufe von Fig. 9 die Arbeitsweise der Steuerschaltung 6 erläutert. Wie bekannt, ändert sich die vom O_-Fühler A-, der im Auspuffkrümmer 22 angeordnet ist, abnehmbare Ausgangsspannung wesentlich über das stöchiometrische Mischungsverhältnis (ca. IA-,7). Insbesondere steigt die Größe des Ausgangssignals des O_-Fühlers A- im Bereich unterhaib des stöchiometrischen Verhältnisses und nimmt im Bereich oberhalb dieses Verhältnisses ab. Infolgedessen ist durch Vergleich der Ausgangsspannung des O~-Fühlers A- mit der Bezugsspannung am Vergleicher 32 leicht und genau erfaßbar, ob das vom Vergaser 2 erzeugte Ist-Mischungsverhältnis größer oder kleiner als das stöchiometrische Verhältnis ist. Angenommen, daß das Ist-Mischungsverhältnis kleiner als das stöchiometrische Verhältnis ist, d. h., solange die Ausgangsspannung des O.-Fühlers A-, die durch eine Vollinienkurve in Fig. 9(A) bezeichnet ist, höher als die Bezugsspannung ist, erzeugt der PI-Steuerverstärker 3A- ein Ausgangssignal, dessen Amplitude weiter ansteigt, wie durch die Strichpunktlinienkurve in Fig. 9(C) angegeben ist. Wenn der Drosselklappen-Schalter 21 geschlossen ist (d. h. sich im EIN-

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Zustand befindet), wird vom Addierglied (bzw. dem Pegelumsetzer) 40 eine Spannung V_ß vorbestimmter Größe hinzuaddiert, so daß das Ausgangssignal des Pl-Steuerverstärkers 34 um Vp. geändert wird (vgl. die Vollinienkurve in Fig. 9(B). Der Oszillator 36 erzeugt zwar ein Signal mit kontinuierlicher Dreieckform, das eine gleichbleibende Amplitude bei gleichbleibender Frequenz hat (vgl. Fig. 9(D)), aber die Breite der einzelnen vom Impulserzeuger 38 erzeugten Impulse vergrößert sich (vgl. Fig. 9(D)), solange die Amplitude des Ausgangssignal des Addierglieds 40 sich erhöht. Wenn dagegen die Amplitude des Ausgangssignals des Addierglieds 40 abnimmt, nimmt auch die Impulsbreite des vom Impulserzeuger 38 erzeugten Signalimpulses ab. Wenn der Impulszug nach Fig. 9(E) an die elektromagnetische Spule 7B des Unterdruckerzeugers 7 durch den Verstärker angelegt wird, wird das Ventilglied 7A näher zur Bohrung 25 verschoben. Auf diese Weise wird, während die relative Einschaltdauer t/T des Ventils 7A vergrößert wird, der Unterdruck dem Atmosphärendruck angenähert (vgl. Fig. 2).

Wenn das Ausgangssignal des O„-Fühlers 4 sich mit kurzer Dauer ändert (vgl. die Strichlinienkurve von Fig. 9(A) (in diesem Zustand ist die Rückführungsregelung, die das Ausgangssignal des O~-Fühlers nutzt, idealerweise wirksam), wird ein Spannungssignal erzeugt, das sich mit einer sehr kleinen Amplitude um den Ausgangsspannungspegel V. , des Verstärkers 34 entsprechend A= 1 (d. h. bei geschlossenem Schalter 21) ändert (vgl. die Strichlinienkurve in Fig. 9(B)). In gleicher Weise ändert sich, wenn der Schalter geöffnet ist, das entsprechende Spannungssignal mit kleiner Amplitude um den Ausgangsspannungspegel V\. _,.

Es sei nun angenommen, daß das vom O_-Fühler 4 erzeugte Erfassungssignal eine Größe hat, die angenähert dem stöchiometrischen Mischungsverhältnis (* = 1) entspricht; dann nimmt

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der Unterdruck einen Wert V₁ (vgl. Fig. 2) im Niedrigdrehzahlbereich an, d. h. wenn der Schalter 21 geschlossen ist, während er einen Wert V ._, annimmt, wenn der Drehzahlbereichs-Erfasser 21 geöffnet .ist. Die Ventilöffnungsgrade der STellglieder bei diesen Unterdruckpegeln sind in Fig. 3 angegeben.

Angenommen, der O--Fühler k erzeugt ein Signal MAGER entsprechend einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch im Niedrigdrehzahlbereich, d. h. wenn der Schalter 21 geschlossen ist, so wird der Unterdruck V aufgrund der Abnahme der relativen Einschaltdauer t/T erhöht, so daß die Öffnungsquerschnitte der Stellglieder AC, und AC, kleiner werden, während der Öffnungsquerschnitt des Stellglieds AC- größer wird. Infolgedessen ist das vom O_-Fühler 4· nunmehr erzeugte Signal ein Signal FETT, das ein fettes Gemisch bezeichnet. Wenn dagegen der O--Fühler 4 das Signal FETT erzeugt, werden die Öffnungsquerschnitte der Stellglieder AC, und AC, verkleinert und gleichzeitig der Öffnungsquerschnitt des Stellglieds A- vergrößert, so daß das Mischungsverhältnis A/F durch das Ausgangssignal des Op-Fühlers 4-gegen MAGER verschoben wird. Auf diese Weise wird die normale Rückführungsregelung auf der Grundlage des Erfassungssignals des Op-Fühlers 4 durchgeführt. Das Öffnen des Schalters 21 resultiert nur in der Verschiebung des Unterdrucks vom Pegel V __, zum Pegel V >i> wenn Λ» = 1. Die Regelvorgänge werden aus dem Kennliniendiagramm von Fig. 3 bestimmt. Das Ventil des Stellglieds AC, ist zu diesem Zeitpunkt im wesentlichen vollständig geschlossen. Die Bereiche, innerhalb deren der Unterdruck sich ändert, sind durch öV (wenn der Schalter 21 geschlossen ist) und Δν¹ (wenn der Schalter 21 geöffnet ist) in Fig. 3 bezeichnet. Die Werte von Δ-V und AV definieren den Bereich, in dem sich die Ausgangsspannung des Verstärkers 34 ändern darf. Hierzu ist auf die Fig. 9(B) und 9(C) Bezug zu nehmen.

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Im Niedrigdrehzahlbereich, in dem der Schalter 21 geschlossen ist, werden die Öffnungsquerschnitt der Stellglieder AC, und AC- weiter vergrößert als bei geöffnetem Schalter 21, was bedeutet, daß die Leerlauf-Belüftungsdüse sich im Zustand MAGER befindet und die dem Reaktor zugeführte Nebenluftmenge erhöht wird. Infolgedessen könnte es scheinen, daß in dem Bereich unterhalb des Punkts A in Fig. 3 die Zufuhr eines angereicherten Gemischs nicht durchführbar ist. Die Zufuhr eines angereicherten Gemischs zum Motor ist jedoch auch im Niedrigdrehzahlbereich nach Fig. ή· dadurch möglich, daß der Vergaser so eingestellt wird, daß der Öffnungsbereich SAC₁ des Stellglieds AC₁ ein erwünschtes Mischungsverhältnis (ζ. Β. Λ = 0,8) bei einem Unterdruck V . , ergibt. Unter diesen Bedingungen bei abgeschalteten Schalter 21 kann es scheinen, daß der Öffnungsquerschnitt des Stellglieds AC₁ verkleinert wird, um das Mischungsverhältnis zu vermindern, und daß somit das Gemisch im Gegensatz zu der erwünschten Auswirkung angereichert wird. Tatsächlich spielt jedoch das Haupt-Kraftstoff system (AC-) eine Hauptrolle im Hochdrehzahlbereich, in dem der Schalter 21 geöffnet ist. Infolgedessen hat ein geringes Anreichern des Gemischs im Leerlauf-Kraftstoffsystem keinen merklichen Einfluß auf das gesamte dem Motor zugeführte Gemisch, so daß das erwünschte Mischungsverhältnis (A= 1) aufrechterhalten werden kann; dies gilt unter der Voraussetzung, daß das Haupt-Kraftstoff system so ausgelegt ist, daß der Querschnittsbereich SAC₀ des Stellglieds AC₀ bei dem Unterdruck V . , das erwünschte

C. CA= 1

Mischungsverhältnis (z. B. Λ = 1) im Hochdrehzahlbereich ergibt.

Aufgrund des vorstehend erläuterten Regelbetriebs ist die Zusammensetzung des mit dem 0_o-Fühler kontaktierten Abgases so einstellbar, daß sie sich unabhängig von der Saugluft-

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menge der Brennkraftmaschine im wesentlichen nicht ändert. Zu dieser Zeit ist die Zusammensetzung des Abgases so einstellbar, daß λ = 1. Das vom Vergaser 2 zugeführte Gemisch ist im Niedrigdrehzahlbereich, in dem die Saugluftmenge gering ist, im angereicherten Zustand FETT, während das normale Mischungsverhältnis im Hochdrehzahlbereich über dem Punkt A (Fig. 4) aufrechterhalten wird, so daß der Motorbetrieb über den gesamten Drehzahlbereich in einem erwünschten Betriebszustand gehalten werden kann. Im Hochdrehzahlbereich erfolgt keine Nebenluftzufuhr. Nahe dem Punkt A arbeiten sowohl das Leerlauf-Kraftstoffsystem als auch das Haupt-Kraftstoff system mit entsprechenden zeitlichen Verzögerungen.

Wie aus der vorstehenden Erläuterung hervorgeht, ermöglicht die Mischungsverhältnis-Regeleinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine solche Einstellung der Abgaszusammensetzung, daß die Leistung oder die Reinigungsfähigkeit des Dreiwege-Katalysators voll nutzbar ist, ohne daß der Betriebszustand des Motors nachteilig beeinflußt wird, indem die Kraftstoffmenge für den Niedrigdrehzahl-Betrieb, die Haupt-Kraftstoffmenge und die Nebenluftzufuhr durch drei Membranventile oder Stellglieder (AC,, ACp, AC-.) in Abhängigkeit von dem nach Maßgabe des Ausgangssignals des Op-Fühlers erzeugten Unterdruck bestimmt wird, wobei der O_-Fühler die Zusammensetzung der Abgase nach Wiederverbrennung im thermischen Reaktor 3 erfaßt. Damit kann das Verbrennungsprodukt oder Abgas, das aus der Brennkraftmaschine austritt, gemäß der angegebenen Lehre optimal gereinigt werden.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

[^JJ. Mischungsverhältnis-Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine ,
gekennzeichnet durch

- einen Vergaser (2) mit einem Niedrigdrehzahl- und einem Haupt-Kraftstoff system, zum Einstellen des Mischungsverhältnisses eines der Brennkraftmaschine (1) zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs;

- einen thermischen Reaktor (3), in dem Abgas aus der Brennkraftmaschine (1) mit dem Reaktor (3) zugeführter Nebenluft umgesetzt wird;

- ein Dreiwege-Katalysatorrohr (5), das mit dem thermischen Reaktor (3) verbunden ist;

- einen Abgaszusammensetzungs-Fühler (A-), der zwischen dem thermischen Reaktor (3) und dem Dreiwege-Katalysatorrohr (5) in einem Auspuffkrümmer (22) angeordnet ist;

- eine Steuerschaltung (6), die aufgrund des Ausgangssignals des Fühlers (4·) ein Steuersignal erzeugt;

- einen Unterdruckerzeuger (7), der aufgrund des Ausgangssignals der Steuerschaltung (6) einen Unterdruck erzeugt;

- Einheiten zum Einstellen des Niedrigdrehzahl- bzw. des Haupt-Kraftstoff systems aufgrund des vom Unterdruckerzeuger (7) erzeugten Unterdrucks;

- eine Einheit zum Einstellen der Nebenluftzufuhr aufgrund des vom Unterdruckerzeuger (7) erzeugten Unterdrucks; und

- einen Erfasser (21), der einen Niedrig- und einen Hochdrehzahlbereich der Brennkraftmaschine (1) erfaßt und

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ein Ausgangssignal erzeugt, das der Steuerschaltung (6) zum Ändern des Steuersignalpegels zuführbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Einheit zum Einstellen des Niedrigdrehzahl-Kraftstoff systems den Öffnungsquerschnitt einer Bypass-Leerlaufbelüftungsdüse (I⁴I-) umgekehrt proportional to dem Unterdruck mittels eines Stellglieds (8) einstellt, das von dem vom Unterdruckerzeuger (7) erzeugten Unterdruck betätigbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Einheit zum Einstellen des Haupt-Kraftstoff systems den Öffnungsquerschnitt einer Bypass-Hauptkraftstoffdüse (12) proportional zu dem Unterdruck mittels eines Stellglieds (10) einstellt, das von dem vom Unterdruckerzeuger (7) erzeugten Unterdruck betätigbar ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Einheit zum Einstellen der Nebenluftzufuhr einen Strömungs-Durchgangsquerschnitt der Nebenluftzufuhr durch ein vom Unterdruck des Unterdruckerzeugers (7) betätigbares Stellglied (9) so einstellt, daß er im Niedrigdrehzahlbereich der Brennkraftmaschine (1) dem Unterdruck umgekehrt proportional ist, und einen vorbestimmten kleinen Strömungs-Durchgangsquerschnitt im Hochdrehzahlbereich der Brennkraftmaschine (1) unterhalt.
5. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Steuerschaltung (6) aufweist:

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302A080

- einen Vergleicher (32), der das Ausgangssignal des Abgaszusammensetzungs-Fühlers (4) mit einer Bezugsspannung vergleicht,

- ein Integrierglied (34), das das Ausgangssignal des Vergleichers (32) integriert,

- ein Addierglied (A-O), das dem Ausgangssignal des Drehzahlbereichs-Fühlers (21) das Ausgangssignal des Integrierglieds (34) hinzuaddiert, und

- einen Impulserzeuger (38), der einen Signalimpuls gleicher Breite wie das Ausgangssignal des Addierglieds (40) erzeugt.
6. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der Unterdruckerzeuger (7) von einer elektromagnetischen Dreiwegeventileinheit mit einem Elektromagnetventil zum Einstellen des Verhältnisses, bei dem der von einer Konstantunterdruck-Versorgung erzeugte Unterdruck mit Atmosphärendruck vermischt wird, gebildet ist.
7. Mischungsverhältnis-Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine ,

gekennzeichnet durch

- einen Vergaser (2) mit einem Niedrigdrehzahl- und einem Haupt-Kraftstoff system, zum Einstellen des Mischungsverhältnisses eines der Brennkraftmaschine (1) zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs;

- einen thermischen Reaktor (3), in dem Abgas aus der Brennkraftmaschine (1) mit dem Reaktor (3) zugeführter Nebenluft umgesetzt wird;

- ein mit dem thermischen Reaktor (3) verbundenes Dreiwege-Katalysatorrohr (5);

- einen Abgaszusammensetzungs-Fühler (4), der in einem Auspuffkrümmer (22) zwischen dem thermischen Reaktor (3) und dem Dreiwege-Katalys^torrohr (5) angeordnet ist;

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eine Steuerschaltung (6), die ein Steuersignal mit einer Impulsbreite entsprechend dem Ausgangssignal des Fühlers (A-) erzeugt;

einen Unterdruckerzeuger (7), der einen Unterdruck nach Maßgabe des Steuersignals der Steuerschaltung (6) erzeugt ;

einen Erfasser (21), der einen Niedrig- und einen Hochdrehzahlbereich der Brennkraftmaschine (1) erfaßt und ein Ausgangssignal erzeugt, das der Steuerschaltung (6) zum Ändern des Steuersignalpegels zuführbar ist,

- wobei der Brennkraftmaschine (1)

- ein Gemisch mit niedrigem Mischungsverhältnis zugeführt wird, wenn der Drehzahlbereichs-Erfasser (21) anzeigt, daß die Brennkraftmaschine im Niedrigdrehzahlbereich arbeitet, und

- ein Gemisch mit angenähert stöchiometrischem Mischungsverhältnis zugeführt wird, wenn der Drehzahlbereichs-Erf asser (21) anzeigt, daß die Brennkraftmaschine im Hochdrehzahlbereich arbeitet;

eine Einheit zum Einstellen des Niedrigdrehzahl- und des Haupt-Kraftstoffsystems aufgrund des vom Unterdruckerzeuger (7) erzeugten Unterdrucks; und eine Einheit zum Einstellen der Nebenluftzufuhr aufgrund des vom Unterdruckerzeuger (7) erzeugten Unterdrucks derart ,

- daß die Nebenluftzufuhr zum thermischen Reaktor (3) erhöht wird, wenn der Drehzahlbereichs-Erfasser (21) anzeigt, daß die Brennkraftmaschine im Niedrigdrehzahlbereich arbeitet,

- während dem thermischen Reaktor (3) eine gleichbleibende und geringe Nebenluftmenge zugeführt wird.

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8. Verfahren zum Steuern einer Mischungsverhältnis-Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit

- einem Vergaser mit einem Niedrigdrehzahl- und einem Haupt-Kraftstoff system, der das Mischungsverhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs bestimmt,

- einem thermischen Reaktor, in dem aus der Brennkraftmaschine austretende Abgase mit dem Reaktor zugeführter Nebenluft umgesetzt werden,

- einem Abgaszusammensetzungs-Fühler, der in dem vom thermischen Reaktor ausgehenden Auspuffkrümmer angeordnet ist,

- einem Unterdruckerzeuger, der einen Unterdruck nach Maßgabe des Ausgangssignals des Abgaszusammensetzungs-Fühlers erzeugt, und

- einem Erfasser, der einen Niedrig- und einen Hochdrehzahlbereich der Brennkraftmaschine erfaßt,

gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Erfassen der Luftzahl (des Überschußluft-Verhältnisses) des Abgases durch den Abgaszusammensetzungs-Fühler;

- Erzeugen eines Steuersignals mit einer Impulsbreite, die sich nach Maßgabe der erfaßten Luftzahl (des Überschußluft-Verhältnisses) ändert, und schrittweises Ändern der Impulsbreite entsprechend dem Ausgangssignal des Drehzahlbereichs-Erfassers;

- Ändern des vom Unterdruckerzeuger erzeugten Unterdrucks nach Maßgabe des Steuersignals;

- Einstellen des Niedrigdrehzahl- und des Haupt-Kraftstoffsystems nach Maßgabe des vom Unterdruckerzeuger erzeugten Unterdrucks derart,

- daß der Brennkraftmaschine ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit niedrigem Mischungsverhältnis zugeführt wird, wenn der Drehzahlbereichs-Erfasser erfaßt, daß sie im Niedrigdrehzahlbereich läuft,

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— ο —

- während der Brennkraftmaschine ein Gemisch mit angenähert stöchiometrischem Mischungsverhältnis zugeführt wird, wenn der Drehzahlbereichs-Erfasser erfaßt, daß sie im Hochdrehzahlbereich läuft;

Einstellen der zuzuführenden Nebenluft nach Maßgabe des vom Unterdruckerzeuger erzeugten Unterdrucks derart,

- daß die Nebenluftzufuhr zum thermischen Reaktor erhöht wird, wenn der Drehzahlbereichs-Erfasser anzeigt, daß die Brennkraftmaschine im Niedrigdrehzahlbereich läuft,

- während dem thermischen Reaktor eine gleichbleibende kleinere Nebenluftmenge zugeführt wird, wenn der Drehzahlbereichs-Erf asser anzeigt, daß die Brennkraftmaschine im Hochdrehzahlbereich läuft;

- wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch der Brennkraftmaschine mit niedrigerem als dem stöchiometrischen Mischungsverhältnis zugeführt wird, während gleichzeitig die Nebenluftzufuhr zum thermischen Reaktor erhöht wird, wenn die Brennkraftmaschine im Hochdrehzahlbereich läuft,

während das Kraftstoff-Luft-Gemisch der Brennkraftmaschine bei deren Hochdrehzahlbetrieb mit angenähert stöchiometrischem Mischungsverhältnis zugeführt wird und gleichzeitig die Nebenluftzufuhr zum thermischen Reaktor auf eine gleichbleibende kleinere Menge regelbar eingestellt wird.

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