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Regelsystem
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Priorität: 2. August 1979 Japan 54-98855 Die Erfindung betrifft ein
Regelsystem, z.B. ein System zum Regeln des LuSt-Brennstoff-Verhältnisses eipes
Emissionsregelsystems eines Verbrennungsmotors mit einem Dreiwegkatalysator'und
insbesondere ein System zum Regeln des BuSt-Brennstoff-Verhältnisses auf einen Wert,
der dem stöchiometrischen luft-Brennstoff-Verhältnis nahekommt, um den Dreiwegkatalysator
wirksam zu betätigen.
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Ein solches System ist ein Rückkopplungsregelsystem, in dem ein Sauerstoffühler
vorgesehen ist, um den Sauerstoffgehalt der Abgase abzutasten, um ein elektrisches
Signal als Anzeige des Buft-Brennstoff-Verhältnisses des durch einen Vergaser zugeführten
BuSt-Brennstoff-Gemisches zu erzeugen. Das Regelsystem enthält eine Beurteilungsschaltung
zum Beurteilen des Ausgangssignals des Sauerstoffühlers, eine Integrationsschaltung,
die mit der Beurteilungsschaltung verbunden ist, eine Antriebsschaltung zum Erzeugen
von Rechteckwellenimpulsen aus dem Ausgangssignal der Integrationsschaltung und
ein Auf-Zu-Elektromagnetventil zum Korrigieren des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
des Gemisches.
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Das Regelsystem arbeitet, um zu beurteilen, ob das Rückkopplungssignal
von dem Sauerstoffühler 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 und dadurch das Buft-Brennstoff-Verhältnis
des Gemisches zu regeln.
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Ein solches Rückkopplungsregelsystem führt aufgrund der Verzögerung
des Sauerstoffühlers beim Ansprechen Eigenschwingungen aus. Das durch das Auf-Zu-Elektromagnetventil
korrigierte Gemisch wird in den
Zylinder des Motors eingeführt und
strömt durch den Ansaugkanal und wird darin verbrannt, woraufhin es zu dem Abgaskanal
abgegeben wird. Zu der Zeit, zu der der Sauerstoffühler den Sauerstoffgehalt der
Abgase auf der Basis des korrigierten Gemisches feststellt, hat der Korrigiervorgang
mit dem Auf-Zu-Elektromagnetventil den gewünschten Punkt überschwungen. Als Ergebnis
wird ein durch das Uberschwingen verursachtes fettes oder mageres Gemisch in den
Motor eingeführt und die Abweichung wird durch den Sauerstoffühler festgestellt.
Auf diese Weise wird ein Korrigiervorgang in der entgegengesetzten Richtung eingeleitet.
Nach dieser Schwingung des Regelbetriebs konvergiert die Änderung des Luft-Brennstoif-Verhältnisses
des Gemisches zu dem stöchiometrischen Verhältnis. Die Abweichung des Buft-Brennstoff-Verhaltnisses
des Gemisches wird deshalb auf das stöchiometrische Verhältnis mit einiger Verzögerung
korrigiert. Die gewünschte Verringerung der schädlichen Bestandteile kann folglich
nicht ausgeführt werden.
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Andererseits hat sich herausgestellt, daß, wenn der Dreiwegkatalysator
den Abgasen ausgesetzt wird, deren Verhältnis der Bestandteile periodisch von einem
mittleren Abgasbestandteilverhältnis in einer geeigneten Periode abweicht, der Katalysator
aktiviert werden kann, um die Emissionsverringerungswirkung zu vergrößern.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Regelsystem zu schaffen,
bei dem das geregelte Ausgangssignal mit einem Muster schwingt, das derart ist,
daß die Richtung der Abweichung von dem gewünschten Wert bestimmt werden kann, wodurch
die Abweichung von dem gewünschten Wert schnell korrigiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. 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 EME des Sauerstoffühlers als Funktion des
luft-3rennstoff-Verhältnisses des durch einen Vergaser zugeführten Gemisches, Fig.
3 ein Blockschaltbild eines elektronischen Regelsystems nach der Erfindung, Fig.
4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Notorgeschwindigkeit und
der Periode des Normsignals, Fig. 5 eine Darstellung eines Beispiels des Zittersignals,
Fig. 6A und B Darstellungen der Beziehung zwischen den Pegeln des Zittersignals
und dem Antriebssignal, Fig. 7 eine Darstellung des Zittersignals, Fig. 8 bis 10
Darstellungen der Beziehung zwischen der Abweichung des Zittersignals und des Ausgangssignals
einer Musterbeurteilungsschaltung, Fig. 11 eine schematische Ansicht einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung, Fig. 12 ein Schaltbild eines Beispiels der elektronischen
Schaltung des Systems und Fig. 13 eine Darstellung von Wellenformen an verschiedenen
Stellen in Fig. 12.
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Gemäß Fig. 1 ist der Vergaser 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 verbunden.
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 angeordnet
ist und mit der Schwimmerkammer 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 EinlaBöffnung jedes
Auf-Zu-Elektromagnetventils steht mit der Atmosphäre über einen Luftfilter 16 in
Verbindung. Ein Sauerstoffühler 19 ist in einer Abgasleitung 17 zum Bestimmen des
Sauerstoffgehalts der Abgase von dem Motor 2 angeordnet. Ein katalytischer Dreiwegkonverter
18 ist in der Abgasleitung 17 stromabwärts des Sauerstoffühlers 19 vorgesehen Die
Ausgangsspannung des Sauerstoffühlers 19 ändert sich steil bei dem Abgasverhältnis
nahe dem stöchiometrischen Buft-Brennstoff-Verhältnis des durch den Vergaser zugeführten
Gemisches, siehe Fig. 2, so daß es möglich ist festzustellen, ob das Luft-Brennstoff-Gemisch
in dem Ansaugkanal reicher oder magerer als das stöchiometrische Verhältnis ist,
indem die Spannung des Sauerstofffühlers 19 festgestellt wird. Das Ausgangssignal
des Fühlers 19 wird einem elektronischen Regelsystem 20 zum Regeln der Auf-Zu-Elektromagnetventile
14 und 15 zugeführt.
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Gemäß Fig. 3 hat das elektronische Regelsystem eine Zittersignalerzeugungsschaltung
21 zum Erzeugen eines Zittersignals (a) in Fig. 7 und 5. Das Zittersignal (a) wird
einer Antriebsschaltung 24 über eine Verschiebungsregelschaltung 22, die nachfolgend
beschrieben wird, und einen Amplitudenregelkreis 23 zugeführt, wobei die Antriebsschaltung,
die in den Ansprüchen auch mit Betätigungseinrichtung bezeichnet wird, die Auf-Zu-Elektromagnetventile
14 und 15 antreibt. Wie Fig. 5 und 7 zeigen, hat das Zittersignal (a) eine Spannungswellenform,
in der ein Muster in Zyklen wiederholt wird.
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Ein Zyklus des Musters enthält ein Paar hoher Bergabschnitte a und
c, einen niedrigen Bergabschnitt e, ein Paar tiefer Talabschnitte d und f und einen
flachen
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 flachen Talabschnitts b von der Mittellinie 0 ist beispielsweise
die Hälfte der Tiefe DP des tiefen Talabschnitts.
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Die Antriebsschaltung 24 erzeugt Antriebsimpulse, siehe Fig. 6A, in
Abhängigkeit von der Eingangsschaltung mit dem Zittermuster (a). Wie Fig. 6A zeigt,
bewirkt eine höhere Spannung entsprechend dem Berg des Zittersignals einen Antriebsimpuis
dp mit einer großen Breite, d.h.
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ein großes Impulsnennverhältnis, und eine niedrigere Spannung vl entsprechend
dem Tal des Zittersignals bewirkt einen schmalen Nennimpuis pn mit einem geringen
Impulsnennverhältnis. Die Elektromagnetventile 14 und 15 werden deshalb durch die
Antriebsimpulse der Fig.6A in Abhängigkeit von der Spannung des Zittersignals (a)
betätigt. Wenn die Ventile durch den Impuls mit großer Breite betätigt werden, wird
ein mageres Gemisch erzeugt, da mehr Luft eintritt. Der schmale Impuls ergibt ein
fettes Gemisch. Die Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des durch den Vergaser
zugeführten Gemisches hat deshalb dasselbe Zittermuster.
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Fig. 7(a) zeigt die Änderung des Luft-Brennstoffverhältnisses 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 zur mageren Seite
zu abweicht, siehe Fig. 7(a), ändert sich die Ausgangsspannung des Sauerstof£ühlers
17, der die Abgase entsprechend dem Gemisch bestimmt, so, wie es in Fig. 7(b) gezeigt
ist.
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Da das niedrige Luft-Brennstpff-VerhäItnis des Gemisches entsprechend
dem niedrigen Bergabschnitt e des Zittermusters in Fig. 7(a) unter der Linie S des
stöchiometrischen
Verhältnisses liegt, erzeugt der Sauerstoffühler keine Ausgangsspannung für den
Abschnitt e. Die Wellenform der Fig. 7(b) hat somit keinen Wellenabschnitt entsprechend
dem Abschnitt e. Die Ausgangsspannung enthält jedoch Störungen dS1 und dS2, die
durch von dem Motor erzeugtes Rauschen verursacht werden.
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Die Ausgangsspannung (b) des Sauerstoffühlers wird an die 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 von der Schaltung 25 wird durch eine Verzögerungsschaltung
30 eingestellt, um mit der Phase des Ausgangssignals des Sauerstoffühlers zusammenzufallen,
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 Normperiodenimpuiszug
verglichen, so daß die Störungen dS1 und dS2 beseitigt werden, wie Fig. 7(e) zeigt.
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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
Triggern 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 Abschnitt w mit niedrigem Pegel in
dem Beurteilungssignal der Fig. 7(f) gebildet. Die Tatsache, daß das Gemisch sich
auf das Signal der Fig. 7(a) auf der mageren Seite bezieht, wird durch den Abschnitt
w mit niedrigem Pegel des Signals (f) festgestellt, das von dem Sauerstoffühler
19 abgegeben wird.
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Fig. 9 zeigt ein Beispiel des Beurteilungssignals f' von der Schaltung
28, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches sich beim stöchiometrischen
Wert befindet.
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Vergleiche hierzu das entsprechende Zittersignal (a), wenn die Mittellinie
0 zu der atöchiometrischen*Linie s verschoben worden ist. Das Beurteilungssignal
enthält Impulse a' bis f', von denen jeder dieselbe Impulsbreite aufweist.
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Fig. 10 zeigt ein weiteres Beispiel des Beurteilungssignals f", wenn
das Buft-Brennstoff-Gemisch nach der fetten -Seite abweicht. Vergleiche hierzu das
entsprechende Zittersignal (a), wenn die Mittellinie 0 zu der stöchiometrischen
Linie S verschoben worden ist. Das Beurteilungssignal f" enthält einen breiten Abschnitt
d', e', f' mit hohem Pegel. Wenn die Bergabschnitte -des Zittersignals, das dem
Luft-Brennstoff-VerhäItnis des Gemischs entspricht, von dem stöchiometrischen Wert
abweichen, wird ein Beurteilungssignal mit hohem Pegel ohne den Talabschnitt erzeugt.
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Das Beurteilungssignal f, f' oder f" wird einer Verschiebnngssignalerzeugungsschaltung
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 so angelegt,
daß das Zittersignal (a) verschoben wird, das von der Zittersignalerzeugungsschaltung
21 in Abhängigkeit davon zugeführt wird, d.h. in Abhängigkeit von der festgestellten
Abweichung der Abgase, die wiederum abhängig von dem Buit-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 (Fig. 7 f) der Beurteilungaschaltung
28.
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Unter der Annahme, daß das Zitterauster A vollständig
von
dem stöchiometrischen Verhältnis nach der fetten Seite abweicht, wird das Ausgangssignal
A' mit hohem Pegel ohne den Talabschnitt erzeugt. In Abhängigkeit von dem Ausgangssignal
A' wird nun das Zittersignal von der Schaltung 21 nach der mageren Seite über die
Verschiebungsschaltungen 29 und 22 verschoben.
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Wenn das Zittermuster so angeordnet ist, wieesbeiBgezeigt ist, d.h.
noch etwas nach der fetten Seite zu angeordnet ist, wird ein Ausgangssignal B' mit
hohem Pegel erzeugt.
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Auf diese Weise wird das nächste Zittersignal, das von der Schaltung
21 erzeugt wird, 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 stöchiometrischen
Verhältnis zusammenfällt, d.h. die Signale C oder die Mittellinie in dem Bereich
zwischen dem niedrigen Bergabschnitt e (Fig. 5) und dem flachen Talabschnitt b angeordnet
sind, werden gleichförmige Impulse erzeugt. Die Erzeugung eines gleichförmigen Ausgangsimpulses
zeigt somit die Tatsache an, daß das BuSt-Brennstoff-Verhältnis, das wirksam durch
den Sauerstoffühler festgestellt worden ist, etwa gleich dem stöchiometrischen Verhältnis
ist. Auf diese Weise erzeugt die Verschiebesignalerzeugungsschaltung 29 nicht das
Ausgangssignal, wenn ein gleichförmiger Eingangsimpuls auftritt.
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Die Amplitudenregelschaltung 23 arbeitet andererseits, um die Amplitude
des Zittersignals (a) aufgrund des gleichförmigen Impulssignals von der Beurteilungsschaltung
28 zu verringern. Die Amplitude wird demgemäß so verringert, wie es durch den Pfeil
U in Fig. 8 gezeigt ist. Durch Verringerung der Amplitude des Zittersignals kann
das Pendeln des Buft-Brennstoff-
Verhältnisses des Gemisches weiter
innerhalb eines schmalen Bereichs nahe zu dem stöchiometrischen Verhältnis konvergieren.
Auf diese Weise kann die Verringerung der Änderung des luft-Brennstoff-Verhältnisses
ausgeführt werden.
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Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Erfindung
bei einem Motor angewendet wird, der mit einem Brennstoffinjektionssystem versehen
ist.
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Ein Brennstoffinjektor 34 ist an dem Ansaugkrümmer 33 stromabwärts
eines Luftfilters 32 vorgesehen. Der Brennstoffinjektor 34 steht mit einem Brennstofftank
35 mit einer (nicht dargestellten) Brennstoffpumpe über eine Leistung 36 in Verbindung.
Der Brennstoffinjektor 34 ist wirksam mit einer Regeleinheit 37 verbunden, die das
Regelsystem 20 der Fig. 3 aufweist. Der Sauerstofffühler 19 und der Geschwindigkeitsfühler
26 sind zum Regeln des Regelsystems 20 vorgesehen. In diesem System wird der Brennstoffinjektor
34 durch das Zittersignal in derselben Weise wie bei der vorangehenden Ausführungsform
betätigt, wodurch eine wirksame Emissionsregelung ausgeführt werden kann.
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Fig. 12 zeigt ein Beispiel der elektronischen Schaltung des Systems.
Die Beurteilungsschaltung 28 enthält einen D-JX-Flip-Flop 40. Der Geschwindigkeitsfühler
26 enthält eine Zündspule 41 und einen Verteilerkontakt 42.
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Fig. 13 zeigt Wellenformen an verschiedenen Stellen in Fig. 12, wobei
die Wellenformen 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 Regelsystem schafft, in dem das gesteuerte Ausgangssignal, d.h. die Prozeßgröße,
veranlaßt wird, durch das Zittersignal in einem Muster zu schwingen, so daß das
notwendige minimale Fehlersignal
erzeugt werden kann. Eine Änderung
des Ausgangssignals kann somit schnell zu dem gewünschten Wert konvergieren.
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Andere Zittersignale mit einem unterschiedlichen Muster als das dargestellte
Signal können auch verwendet werden.
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Wenn ein anderer Fühler als der Sauerstoffühler verwendet wird, der
eine lineare Ausgangsspannung aufweist, ist es notwendig, einen Komparator vorzusehen,
durch den die Ausgangsspannung mit einem Normpegel verglichen wird, der dem stöchiometrischen
Verhältnis entspricht, so daß die Ausgangsspannung bei dem Normpegel steil geändert
werden kann.