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Regelsystem
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Priorität: 2. August 1979 Japan 54-98853 Die Erfindung betrifft ein
Regelsystem, z.3. ein System zum Regeln des Luft-3rennstoff-Verhältnisses eines
Ezissionßregelsystem eines Verbrennungsmotors mit einem Dreiwegkatalysator, und
insbesondere ein System zum Regeln des Luft-Brennstoff-Verhältnisses auf einen Wert,
der etwa dem stöchiometrischen BuSt-Brennstoff-Verhältnis entspricht, um den Dreiwegkatalysator
wirksam zu betätigen.
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Ein solches System ist ein Rückkopplungssystem, bei dem ein Sauerstoffühler
vorgesehen ist, um den Sauerstoffgehalt der Abgase abzutasten, um ein elektrisches
Signal als Anzeige des Luft-Brennatoff-Verhältnisses des Luft-Brennstoff-Gemisches,
das durch einen Vergaser zugeführt wird, zu erzeugen. Das Regelsystem enthält eine
Beurteilungsschaltung zum Beurteilen des Ausgangseignals des Sauerstoffühlers, eine
mit der Beurteilungsschaltung verbundene Integrationsschaltung, eine Treiberschaltung
zum Erzeugen von Rechteckwellenimpulsen aus dem Ausgangssignal der Integrationsschaltung
und ein Auf-Zu-Elektromagnetventil zum Korrigieren des Luft-Brennstoff -Verhältnisses
des Gemisches. Das Regelsystem arbeitet, um zu beurteilen, ob das Rückkopplungssignal
von dem Gauerstofffühler höher oder niedriger als ein vorbestimmter Bezugswert entsprechend
dem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis ist, um ein Fehlersignal zum Betätigen
des Auf-Zu-Elektromagnetventils zu erzeugen, wodurch das Luft-Brennstoff-Verhältnis
des Gemisches gesteuert wird.
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Ein solches Rückkopplungsregelsystem führt aufgrund der Ansprechverzögerung
des Sauerstoifühlers Eigenschwingungen aus. Das durch das Auf-Zu-Elektromagnetventil
korrigierte Gemisch wird in den Zylinder des
Motors eingeführt,
in den es durch den Ansaugkanal strömt und darin verbrannt wird, worauf es durch
den Abgaskanal entfernt wird. Zu der Zeit, zu der der Sauerstoffühler den Sauerstoffgehalt
der Abgase aufgrund des korrigierten Gemisches feststellt, hat die Korrigierwirkung
mit d ei dem Auf-Zu-Elektromagnetventil den gewünschten Punkt überschwungen. Als
Ergebnis wird ein fettes oder mageres Gemisch aufgrund des Uberschwingens in dem
Motor eingeführt und die Abweichung wird durch den Sauerstoffühler festgestellt.
Auf diese Weise wird eine Korrigierwirkung in der entgegengesetzten Richtung eingeleitet.
Nach dieser Schwingung des Regelbetriebs konvergiert die Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
des Gemisches zu dem stöchiometrischen Verhältnis. Die Abweichung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
des Gemisches wird deshalb auf das stöchiometrische Verhältnis mit einer gewissen
Verzögerung korrigiert.
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Die gewünschte Verringerung der schädlichen Bestandteile kann folglich
nicht erreicht werden.
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Andererseits ist festgestellt worden, daß, wenn ein Dreiwegkatalysator
den Abgasen ausgesetzt wird, wobei das Verhältnis des Gehalts des Abgases periodisch
von einem mittleren Abgasgehaltsverhältnis in einer geeigneten Periode abweicht,
der Katalysator aktiviert werden kann, um dadurch die Emissionsverringerungswirkung
zu vergrößern.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Regelsystem zu schaffen,
bei dem ein geregeltes Ausgangssignal mit einem Muster schwingt, das derart ist,
daß die Richtung der Abweichung von dem gewünschten Wert bestimmt werden kann, um
die Abweichung von dem gewünschten Wert schnell zu korrigieren.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben,
in der sind Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Luft-Brennstoff-Regelsystems,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der EMK des Sauerstoffühlers als Funktion des
Luft-Brennstoff-Verhältnisses des durch den Vergaser zugeführten Gemisches, Fig.
3 ein Blockschaltbild eines elektronischen Regelsystems nach der Erfindung, Fig.
4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Motorgeschwindigkeit und
der Periode des Normsignals, Fig. 5 eine Darstellung eines Beispiels eines Zittersignals,
Fig. 6A und B Darstellungen der Beziehung zwischen den Pegeln des Zittersignals
und des Antriebssignals, Fig. 7 eine Darstellung des Zittersignals, Fig. 8 bis 10
Darstellungen der Beziehung zwischen der Abweichung des Zittersignals und dem Ausgangssignal
der Musterbeurteilungsschaltung, Fig. 11 eine schematische Ansicht einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung, Fig. 12 ein Schaltbild eines Beispiels der eiektronischen
Schaltung des Systems und Fig. 13 Darstellungen von Wellenformen an verschiedenen
Punkten in Fig. 12.
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Gemäß Fig. 1 steht ein Vergaser 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 in
Verbindung. Der Vergaser enthält eine Schwimmerkammer 3, ein Venturirohr 4 in dem
Ansaugkanal, eine Düse 5, die mit der Schwimmerkammer 3 über einen Hauptbrennstoffkanal
6 in Verbindung steht, und eine Leerlauföffnung 10, die nahe einem Drosselventil
9 vorgesehen ist und mit der Schwimmerkammer 3 über einen Leerlaufbrennstoffkanal
11 in Verbindung steht. Luftkorrigierkanäle 8 und 13 sind jeweils parallel zu einer
Hauptluftöffnung
7 und einer Leerlaufluftöffnung 12 vorgesehen.Auf-Zu-Elektromagnetventile 14 und
15 sind für die Luftkorrigierkanäle 8 und 13 vorgesehen. Die Einlaßöffnung jedes
Auf-Zu-Elektromagnetventils steht mit der Atmosphäre über einen Luftfilter 16 in
Verbindung. Ein Sauerstoffühler 19 ist in einer Abgasleitung 17 angeordnet, um den
Sauerstoffgehalt der Abgase von dem Motor 2 zu bestimmen. Ein katalytischer Dreiwegkonverter
18 ist in der Abgasleitung 17 stromabwärts des Sauerstoffühlers 19 vorgesehen.
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Die Ausgangsspannung des Sauerstoffühlers 19 ändert sich steil bei
einem Abgasverhältnis nahe dem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis des
durch den Vergaser zugeführten Gemisches, siehe Fig. 2, so daß es möglich ist festzustellen,
ob das Luft-Brennstoff-Gemisch in der Ansaugleitung fetter oder magerer als das
stöchiometrische Verhältnis ist, indem die Spannung des Sauerstoffühlers 19 bestimmt
wird. Das Ausgangssignal des Fühlers 19 wird einem elektronischen Regelsystem 20
zugeführt, um die Auf-Zu-Elektromagnetventile 14 und 15 zu regeln.
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Gemäß Fig. 3 hat das elektronische Regelsystem eine Zittersignalerzeugungsschaltung
21 zum Erzeugen eines Zittersignals (a) der Fig. 7 und 5. Das Zittersignal (a) wird
einer Antriebsschaltung 24 über eine Verschiebungsregelsohaltung 22, die nachfolgend
beschrieben wird, und eine Aiplitudenregelschaltung 23 zugeführt, wobei die Antriebsschaltung,
in den Ansprüchen auch mit Betätigungseinrichtung bezeichnet, die Auf-Zu-Elektromagnetventile
14 und 15 antreibt. Gemäß Fig. 5 und 7 hat das Zittersignal (a) eine Spannungswellenform,
in der ein Muster in Zyklen wiederholt wird. Ein Zyklus des Musters enthält ein
Paar hoher Bergabschnitte a und c und einen niedrigen Bergabschnitt 2, ein Paar
tiefer Talabschnitte d und f und einen flacheren Talabschnitt b. Die Höhe P des
hohen Bergabschnitts von der
Mittellinie 0 ist gleich der Tiefe
DP des tiefen Talabschnitts von der Mittellinie 0. Die Tiefe des flacheren Talabschnitts
b von der Mittellinie O beträgt beispielsweise die Hälfte der Tiefe DP des tiefen
Tal abschnitts.
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Die Antriebsschaltung 24 erzeugt Antriebsimpulse, siehe Fig. 6A, in
Abhängigkeit von der Eingangsspannung mit dem Zittermuster (a). Gemäß Fig. 6A bewirkt
eine höhere Spannung entsprechend dem Berg des Zittersignals einen Antriebsimpuls
dp mit einer großen Breite, d.h. einem großen lmpulsnennverhältnis, und eine niedrigere
Spannung vl entsprechend dem Tal des Zittersignals bewirkt einen Impuls pn mit schmaler
Breite und mit einem kleinen Impulsnennverhältnis. Die Elektromagnetventile 14 und
15 werden durch die Antriebsimpulse gemäß Fig. 6A in Abhängigkeit von der Spannung
des Zittersignals (a) betätigt. Wenn die Ventile durch den Impuls mit großer Breite
betätigt werden, wird eine mageres Gemisch erzeugt, da mehr Luft eintritt. Der schmale
Impuls ergibt ein fettes Gemisch.
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Die Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des durch den Vergaser
zugeführten Gemisches hat also dasselbe Zittermuster.
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Fig. 7(a) zeigt die Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des
Gemisches mit dem Zittermuster.
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Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches mit der Zitterwelle
der Fig. 7(a) von der Linie S des stöchiometrischen Verhältnisses auf die magere
Seite zu abweicht, siehe Fig. 7(a), ändert sich die Ausgangsspannung des Sauerstoffühlers
17, der die Abgase entsprechend dem Gemisch bestimmt, siehe Fig. 7(b).
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Da ein kleines Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches entsprechend
dem niedrigen Bergabschnitt e
des Zittermusters in Fig. 7(a) unter
der Linie S des stöchiometrischen Verhältnisses liegt, erzeugt der Sauerstoffühler
nicht die Ausgangsspannung für den Abschnitt e. Die Wellenform der Fig. 7(b) ergibt
deshalb keinen Wellenabschnit entsprechend dem Abschnitt e.
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Die Ausgangsspannung enthält jedoch Störungen dS1 und dS2, die durch
Rauschen verursacht werden, das von dem Motor erzeugt wird. Die Ausgangsspannung
(b) des Sauerstoffühlers wird an eine Störungsbeseitigungsschaltung 27 mit einer
Differentiationsschaltung über einen Komparator 27a angelegt. Die Schaltung 27 differenziert
die Ausgangsspannung des Sauerstoffühlers 19, um das Signal zu erzeugen, das in
Fig. 7(c) gezeigt ist.
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Eine Normperiodenschaltung 25 ist zum Erzeugen eines Normperiodenimpulszuges
vorgesehen. Die Phase der Impulse aus der Schaltung 25 wird durch eine Verzögerungsschaltung
30 so eingestellt, daß sie mit der Phase des Ausgangssignals des Sauerstoffühlers
zusammenfällt, die auch der Phase des Zittersignals entspricht. Dieser eingestellte
Normperiodenimpulszug ist in Fig. 7(d) gezeigt. Das Signal der Fig. 7(c) wird mit
dem eingestellten Normperiodenimpulszug verglichen, so daß die Störungen dS1 und
dS2 entfernt werden, siehe Fig. 7(e).
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Das Signal der Fig. 7(e) wird einer Beurteilungsschaltung 28 zugeführt.
Die Beurteilungsschaltung erzeugt ein Rechteckausgangssignal, siehe Fig. 7(f),durch
Trigger mit dem Signal der Fig. 7(e).
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Da der niedrige Bergabschnitt e des Gemisches in Fig. 7(a) auf der
mageren Seite angeordnet ist, wird ein breiter niedriger Pegelabschnitt (w) in dem
Beurteilungssignal der Fig. 7(f) gebildet. Die Tatsache, daß sich das Gemisch auf
das Signal der Fig. 7(a) auf der mageren Seite bezieht, wird somit durch den niedrigeren
Pegelabschnitt w des Signals (f) festgestellt, das von dem Sauerstoffühler 19 abgegeben
wird.
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Fig. 9 zeigt ein Beispiel des Beurteilungssignals f' aus der Schaltung
28, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches sich am stöchiometrischen
Wert befindet.
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Zu vergleichen ist das entsprechende Zittersignal (a), bei dem die
Mittellinie O zu der stöchiometrischen Linie S verschoben worden ist. Das Beurteilungssignal
enthält Impulse a' bis f', die jeweils die gleiche Impulsbreite haben.
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Fig. 10 zeigt ein weiteres Beispiel des Beurteilungssignals f", wenn
das Luft-Brennstoff-Gemisch nach der fetten Seite abweicht. Vergleiche hierzu das
entsprechende Zittersignal (a), bei dem die Mittellinie O zu der stöchiometrischen
Linie S verschoben worden ist.
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Das Beurteilungssignal f" enthält einen breiten hohen Pegelabschnitt
d', e', f'. Wenn die Bergabschnitte des Zittersignals, das dem Luft-Brennstoff-Verhältnis
des Gemisches entspricht, von dem stöchiometrischen Wert abweichsen, wird ein Beurteilungssignal
mit hohem Pegel ohne den Talabschnitt erzeugt.
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Das Beurteilungssignal f, f' oder f" wird einer Verschiebungssignalerzeugungsschaltung
29 zugeführt, die ein Verschiebungssignal (g) in Abhängigkeit von der Breite des
Abschnitts des Signals f, f' oder f" mit hohem oder niedrigem Pegel erzeugt. Das
Verschiebungssignal (g) wird an die Verschiebungsregelschaltung 22 angelegt, um
das Zittersignal (a), das von der Zittersignalerzeugungsschaltung 21 zugeführt wird,
in Abhängigkeit davon zu verschieben, d.h. in Abhängigkeit von der festgestellten
Abweichung der Abgase, die wiederum abhängig von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis
des Gemisches in dem Ansaugkanal ist.
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Fig.8 zeigt ein Beispiel der Änderung der Abweichung des Zittermusters
des Gemisches und der Änderung des Ausgangssignals der Beurteilungsschaltung
28
(Fig. 12f). Unter der Annahme, daß das Zittermuster A vollständig von dem stöchiometrischen
Verhältnis nach der fetten Seite abweicht, wird ein Ausgangssignal A mit hohen Pegel
ohne den Talabschnitt erzeugt. In Abhängigkeit von dem Ausgangssignal A' wird nun-das
Zittersignal von der Schaltung 21 zur mageren Seite über die Verschiebungsschaltungen
29 und 22 verschoben.
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Wenn das Zittermuster so angeordnet ist, wie es bei B gezeigt ist,
d.h. noch etwas nach der fetten Seite verschoben, wird ein Ausgangssignal B' mit
hohem Pegel erzeugt. Das nächste von der Schaltung 21 erzeugte Zittersignal wird
somit um einen Grad in Abhängigkeit von dem Signal B' verschoben. Die Abweichung
des Zittermusters des Gemisches wird zur Zeit t1 festgestellt, bevor der impuls
B' vervollständigt ist.
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Wenn die Mittellinie 0 des Zittermusters des Gemisches mit dem stöchionetriachen
Verhältnis zusammenfällt, d.h. die Signale C oder die Mittelline im Bereich zwischen
dem niedrigen Bergabschnitt -e (Fig. 5) und dem flachen alabschnitt b angeordnet
sind, werden gleichförmige Impulse erzeugt. Die Erzeugung eines gleichförmigen Ausgangsinpulses
zeigt somit die Tatsache an, daß das Luft-BrennstofS-Verhältnis, das von dem Sauerstoffühler
wirksam iestgestellt worden ist, annähernd gleich dem stöchiometrischen Verhältnis
ist.
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Auf diese Weise erzeugt die Verschiebungssignalerzeugungsschaltung
29 kein Ausgangssignal, wenn der gleichförmige Eingangsimpuls empfangen wird.
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Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsforn, bei der die Erfindung.
bei einem Motor angewendet ist, der mit einem Brennstoffeinspritzsysten versehen
ist. Ein Brennstoffinjektor 34 ist in einen Anaaugkrümmer 33 stromabwärts des Luftfilters
32 vorgesehen. Der Brennstoffinjektor 34 steht mit einem
Brennstofftank
35 mit einer (nicht dargestellten) Brennstoffpuipe über ein. Leitung 36 in Verbindung.
Der Brennstoffinjektor 34 ist wirksam mit einer Regeleinheit 37 mit dem Regelsysteu
20 der Fig. 3 verbunden.
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Der Sauerstoffühler 19 und der Geschwindigkeitsfühler 26 sind zum
Regeln des Regelsystens 20 vorgesehen. In einen solchen System wird der Brennstoffinjektor
34 durch das Zittersignal in derselben Weise wie bei der vorstehenden Ausführungsform
betätigt, wodurch eine wirksane Fmissionsregelung ausgeführt werden kann.
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Fig. 12 zeigt ein Beispiel der elektronischen Schaltung des Systems.
Die Beurteilungsschaltung 28 enthält einen D-JK-Flip-Flop 40. Der Geschwindigkeitsfühler
26 enthält eine Zündspule 41 und einen Verteilerkontakt 42. Fig. 13 zeigt Wellenformen
an verschiedenen 8tellen der Big. 12, wobei die Wellenforuen W1 bis W10 den Punkten
in Fig. 12 entsprechen, die jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
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Aus der vorangehenden Beschreibung ergibt sich, daß die Erfindung
ein Regelsysteu schafft,in dem das geregelte Ausgangssignal, d.h. die Proseßgröße,
verursacht wird, durch das Zittersignal in einen solchen Muster zu schwingen, daß
das notwendige nininale Fehler signal erzeugt werden kann. Auf diese Weise kann
eine änderung des Ausgangssignals schnell zu den gewünschten Wert konvergieren.
Es können auch andere Zittersignale mit einem verschiedenen Muster als das dargestellte
Signal verwendet werden. Wenn ein anderer P5hler als ein Sauerstotfühler verwendet
wird, der eine lineare Ausgangsspannung aufweist, ist es notwendig, einen Komparator
vorzusehen, durch den die Ausgangsspannung niet einem Noripegel verglichen wird,
der den stöchiometrischen Verhältnis entspricht, 8o daß die Ausgangsspannung steil
an den Normpegel geändert werden kann.