DE4313374A1 - System zur Regelung des Luft/Kraftstoff-Mischungsverhältnisses - Google Patents
System zur Regelung des Luft/Kraftstoff-MischungsverhältnissesInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Kleinmotoren und Sy
steme zur Einschränkung der Emissionen solcher Motoren.
Es werden verschiedene Methoden zur Einschränkung des
Schadstoffausstoßes - Stickoxide, Kohlenstoffmonoxid und
Kohlenwasserstoffe - von Motoren eingesetzt. Ein Verfahren
arbeitet mit einem Sauerstoffühler in der Abgasleitung des
Motors, um den Sauerstoffanteil zu messen und ein Steuer
signal abzuleiten, das ein Ventil betätigt, das auf das
Mischungsverhältnis des dem Motor zugeführten Luft/Kraft
stoffgemischs wirkt. Ist das Gemisch zu fett, ist der Koh
leninonoxid- und Kohlenwasserstoffanteil im Abgas zu hoch
und der Sauerstoffanteil niedrig. Ist andererseits das Ge
misch zu mager, wird die Motorleistung beeinträchtigt.
Man hat zahlreiche Systeme entwickelt, um das Luft/Kraft
stoff-Mischungsverhältnis als Funktion der Abgase zu re
geln. Die meisten von ihnen wurden für Kfz-Motore mit
Bordcomputern entwickelt, die zahlreiche Funktionen steu
ern. Typischerweise wird das vom Sauerstoffühler erzeugte
Analogsignal digitalisiert und auf den Computer gegeben.
Der Computer führt eine Anzahl von Berechnungen aus und
gibt ein digitales Steuersignal ab, das analogisiert und
auf einen Motor gegeben wird, der einen Vergaser oder ein
Kraftstoffeinspritzventil steuert.
Während man viele höchst ausgefeilte Systeme für Kraft
fahrzeuge entwickelt hat, sind diese für kleine Motoren
nicht geeignet. Es ist einzusehen, daß die Gestehungsko
sten eines Kfz-Motors und die Wartung, die er erfährt,
sich extrem unterscheiden von denen eines Rasenmähermo
tors. Aus wirtschaftlichen Gründen ist die Verwendung von
digitalen Rechners und der zugehörigen Elektronik für
Kleinmotoren nicht möglich. Entsprechend hat man auf
Kleinmotoren rein analog arbeitende Schaltungen einge
setzt; wegen der Beschränkungen hinsichtlich der Kosten
und der Empfindlichkeit von Analogschaltungen gegenüber
Temperatur und Alterungseinflüssen haben diese Analog
schaltungen nur sehr begrenzte Fähigkeiten.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine kostengün
stige zuverlässige Regelung für den Schadstoffausstoß von
Kleinmotoren.
Die vorliegende Erfindung schafft ein System zur Regelung
des Luft/Kraftstoff-Gemischs für eine Verbrennungskraft
maschine mit einem an der Maschine angeordneten Fühler zur
Erfassung des Abgaspegels und zur Abgabe eines diesen an
zeigenden Analogsignals, mit einer Einrichtung zum Erzeu
gen eines Bezugspegelsignals, das den Sollpegel des Abga
ses angibt, einem Vergleicher, der das analoge Abgassignal
und das Bezugspegelsignal aufnimmt und betrieblich ein
Logik-Ausgangssignal mit einem erstes Pegel, wenn das
analoge Abgassignal das Bezugspegelsignal übersteigt, und
ein Logik-Ausgangssignal mit einem Pegel abgibt, wenn das
analoge Abgassignal niedriger als das Bezugspegelsignal
ist, einem Taktsignalgenerator zur Abgabe von Taktimpul
sen, einem an den Vergleicher und den Taktgenerator ange
schlossenen Flipflop, das den Zustand des Vergleicheraus
gangssignal bei jedesmaligem Empfang eines Taktimpulses
speichern und an einem Ausgang ein entsprechendes Rich
tungssignal abgeben kann, einem an der Maschine angebrach
ten Schrittschaltmotor zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-
Gemischs und einer an den Taktgenerator und das Flipflop
angeschlossenen Schrittschaltmotor-Steuerung, die betrieb
lich den Schrittschaltmotor für jeden empfangenen Taktim
puls in der vom Zustand des Flipflops angezeigten Richtung
um einen Schritt weiterschaltet.
Die vorliegende Erfindung ist ein System zur Regelung des
Luft /Kraftstoff-Gemischs einer Verbrennungskraftmaschine
mittels eines Schrittschaltmotor und als Funktion eines
erfaßten Abgases. Wegen seiner günstigen Kosten und Wart
barkeit ist es besonders für Kleinmotore geeignet. Der
Schrittschaltmotor kann ein Ventil in einem Vergaser oder
einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung steuern und ändert
das Luft/Kraftstoff-Gemisch bei jedem Taktimpuls um einen
diskreten Betrag. Der Schrittschaltmotor läuft vor, bis im
Abgas die richtige Gasmenge erfaßt wird, und schaltet dann
im eingeschwungenen Betrieb um den Sollpunkt hin und her.
Mit der bevorzugten Ausführungsform wird ein kostengün
stiger Fehlerdetektor angegeben, der anzeigt, ob das Emis
sionsregelsystem richtig arbeitet. Der Fehlerdetektor
weist eine zweite Vergleichseinrichtung auf, die das Ana
logsignal aufnimmt und ein Signal mit einem ersten Logik
pegel abgibt, wenn das Analogsignal innerhalb eines vor
eingestellten Bereichs liegt, und ein Logiksignal mit
einem zweiten Pegel abgibt, wenn das Analogsignal außer
halb des voreingestellten Bereichs liegt. Ein Überwa
chungszeitgeber ist an den zweiten Vergleicher angeschlos
sen und erzeugt betrieblich ein Fehleranzeigesignal, wenn
das Signal mit dem zweiten Logikpegel länger als ein vor
eingestelltes Zeitintervall erzeugt wird. Das Fehleranzei
gesignal kann eine Lampe erregen, um dem Betreiber zu mel
den, daß die Maschine mit zu fettem oder zu magerem Ge
misch läuft, und kann auch zum selbsttätigen Stillsetzen
der Maschine dienen.
Diese und weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfin
dung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der
Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
genommen, die Teil derselben sind und eine bevorzugte Aus
führungsform der Erfindung darstellen.
Fig. 1 ist ein Schaltbild der bevorzugten Emissions
regelung nach der vorliegenden Erfindung und
Fig. 2 ist ein Schaltbild der Fehlerdetektorschaltung,
die Teil des Systems der Fig. 1 ist.
Die Emissionsregelung ist in Fig. 1 gezeigt und weist
einen Sauerstoffühler auf, der auf dem Abgasverteiler 8
eines Kleinmotors 9 angeordnet ist und ein Analogsignal
über einem Referenzwiderstand 11 erzeugt. Das Analogsignal
zeigt den Sauerstoffanteil im Abgas einer Verbrennungsma
schine 9 an, die ein Luft/Kraftstoff-Gemisch aus einem
Ventil 7 erhält. Es kann für diesen Zweck ein Fühler wie
das Fabrikat mit der Teilenummer 25106073 der Fa. General
Motors, AC Spark Plug Division, verwendet werden, es er
zeugt eine Spannung im Bereich von 0 bis 1000 mV ab, die
an eine Pufferschaltung 12 geht. Eine niedrige Ausgangs
spannung zeigt einen mageren Betrieb (mehr Kraftstoff
nötig), eine hohe Spannung einen fetten Betrieb (weniger
Kraftstoff nötig) an. Beim Anlassen des Motors, wenn der
Sauerstoffühler 10 inaktiv ist, zieht der Widerstand 11
den Eingang auf den niedrigen Pegel, um einen mageren Be
trieb zu simulieren. Es wird dann zusätzlicher Kraftstoff
zugegeben, um das Anlaßverhalten zu verbessern. Das Aus
gangssignal des Puffer geht auf ein um einen Operations
verstärker 13 herum aufgebautes Tiefpaßfilter mit einer so
hohen Grenzfrequenz, daß der Frequenzgang des Sauerstoff
fühlers 10 nicht beeinträchtigt wird. Damit werden höher
frequente Störungen vor der Verstärkung des Sauerstoffsig
nals mit einem Operationsverstärker 14 herausgefiltert.
Die Widerstände 15 sind auf bekannte Weise mit dem Ver
stärker 14 verschaltet und auf ausreichende Verstärkung
gewählt.
Das gefilterte und verstärkte Sauerstoffsignal wird ge
mittelt. Dies erfolgt mit einem Widerstand 16 und einem
Kondensator 17. Der Widerstand hat einen Wert von 330 kΩ
und der Kondensator einen solchen von 0,47 µF. Zusammen
bilden sie ein RC-Glied, das bei 18 ein Sauerstoffanteils
signal abgibt, das den Mittelwert des vom Sauerstoff 10
angezeigten Sauerstoffanteils angibt.
Dieses Sauerstoffanteilssignal 18 zeigt an, wie der Motor
läuft. Ist es niedrig, läuft der Motor fett und sind die
CO-Emissionen (Kohlenmonoxid) hoch. Ist das Signal ande
rerseits hoch, läuft der Motor mager und u. U. mit Lei
stungsverlust. Die vorliegende Erfindung steuert die
Kraftstoffzufuhr 6 durch Betätigen des Ventils 7. Das
Ventil 7 kann Teil eines Vergasers oder einer Kraftstoff
einspritzung oder einer Kombination aus beiden sein.
Das Mischungsverhältnis des dem Motor zugeführten Luft/
Kraftstoff-Gemischs wird durch Vergleich des Sauerstoff
anteilssignals 18 mit einem an den Eingang 19 gelegten
Bezugsanteilssignal verglichen. Das Bezugsanteilssignal
ist eine Gleichspannung, die auf den Motorbetrieb mit ver
schiedenen Luft/Kraftstoff-Mischungsverhältnissen im Be
reich von 0,2% bis 0,8% CO-Emission eingestellt werden
kann. Dieser Sollpunkt wird auf optimale Motor- und Kata
lysatorleistung eingestellt. Das Sauerstoffanteilssignal
18 und das Bezugsanteilssignal 19 werden an die Eingänge
eines Komparators 20 gelegt. Das Ausgangssignal des Kom
parators 20 springt zwischen einem niedrigen Logikpegel,
der anzeigt, daß der Sauerstoffanteil unter dem Bezugswert
liegt, und einem hohen Logikpegel hin- und her, der an
zeigt, daß der Sauerstoffanteil über dem Bezugswert liegt.
Dieses Logikpegelsignal wird an den D-Anschluß eines Flip
flops 21 gegeben, um die Richtung eines Schrittschaltmo
tors 22 zu steuern, der seinerseits das Luft/Kraftstoff-
Gemisch steuert. Ein Taktgenerator 23 gibt am Ausgang 24
60-Hz-Impulse zum Takten des Flipflops 21 ab. Das Flipflop
21 geht also in den vom Komparator 20 angegebenen Zustand
über und sein Ausgang Q geht an den Richtungseingang einer
Schrittschaltmotorsteuerung 25. Die Schrittschaltmotor
steuerung 25 ist ein handelsüblicher IC-Baustein, der auch
30-Hz-Impulse aus dem Taktgenerator 23 übernimmt. Er er
zeugt Signale für einen Schrittschaltmotortreiber 26, der
den Schrittschaltmotor 22 mit jedem 30-Hz-Taktimpuls einen
Schritt in der vom Zustand des Flipflops 21 bezeichneten
Richtung fortschaltet. Die in der bevorzugten Ausführungs
form verwendeten Schaltungen 25 und 26 sind von der Fa.
SGS-Thomson Microelectronics als L297 (Schrittschaltmotor
steuerung) und L293 (4-Kanal-Gegentakttreiber) erhältlich.
Fällt der gemessene Sauerstoffanteil im Abgas des Motors
unter den Bezugswert 19 ab, wird der Schrittschaltmotor 22
schrittweise fortgeschaltet, um den Kraftstoffanteil im
dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisch zu verrin
gern. Steigt andererseits der gemessene Sauerstoffanteil
über den Bezugswert 19 hinaus an, ändert das Flipüflop 21
seinen Zustand und wird der Schrittschaltmotor 22 in der
anderen Richtung gedreht, um die Kraftstoffzufuhr zu erhö
hen. Im eingeschwungenen Zustand schaltet der Schritt
schaltmotor 22 um den Einstellpunkt hin und her, der den
gewünschten Sauerstoffanteil im Abgas ergibt. Hinsichtlich
einer ausführlicheren Beschreibung des Schrittschaltmotors 22
und seiner Anordnung zum Steuern des Motorenventils
wird auf die US-PS 50 33 433 des Anmelders verwiesen.
Da der Schrittschaltmotor 22 das Emissionsniveau des Mo
tors steuert, muß bei laufendem Motor das System durchge
hend einwandfrei arbeiten. Um dies zu gewährleisten, über
wacht eine Fehlererfassungsschaltung 30 das den gemessenen
Sauerstoffanteil angebende Signal 18. Wird eine Störung
erfaßt, erzeugt die Fehlererfassungsschaltung 30 ein Feh
lermeldesignal an einem Ausgang 31. Dieses Signal erregt
eine Fehlermeldelampe 32 und triggert einen Triac 33, der
die Zündleitung des Motors 34 nach Masse kurzschließt. Wie
unten ausführlicher beschrieben, wird bei einer Fehlermel
dung der Motor mindestens 20 bis 25 Sekunden stillgesetzt
und währenddessen die Lampe 32 erregt, um dem Betreiber
den Anlaß der Stillsetzung mitzuteilen.
Wie insbesondere die Fig. 2 zeigt, weist die Fehlererfas
sungsschaltung 30 ein Paar Komparatorschaltungen 40, 41
auf, an die das Sauerstoffanteilssignal 18 gelegt ist.
Weiterhin nimmt der Komparator 40 das Bezugssignal 19 auf
und sein Ausgang ist über einen Widerstand 42 an die Basis
eines Transistors 43 gelegt. Ein einen hohen Sauerstoffan
teil anzeigendes Bezugssignal ist über den Anschluß 44 an
den zweiten Eingang der Komparatorschaltung 41 gelegt. Der
Ausgang der Komparatorschaltung 41 ist ebenfalls über
einen zweiten Kopplungswiderstand 45 an die Basis des
Transistors 43 gelegt, die auch über einen Kondensator 46
an Masse gelegt ist. Der Widerstand 47 zieht den Kollektor
des Transistors auf einen Logik-H-Pegel, während der Kol
lektor an den Rücksetzeingang eines 12-Bit-Binärzählers 48
gelegt ist.
Solange das dem gemessenen Sauerstoffanteil entsprechende
Signal 18 über dem Bezugsanteilssignal 19 und unter dem
Bezugssignal 44 liegt, bleibt der Transistor 43 gesperrt
und liegt am Rücksetzeingang des Zählers 48 ein Logik-H-
Pegel. folglich wird der Zähler ständig auf null gesetzt
und zählt trotz der 30-Hz-Taktimpulse an seinem Eingang
nicht hoch. Liegt jedoch das den gemessenen Sauerstoffan
teil anzeigende Signal außerhalb des von den Bezugssigna
len 19 und 44 festgelegten Bereichs, wird der Transistor
43 durchgeschaltet und der Rücksetzanschluß des Zählers
auf den Logik-L-Pegel gezogen. Als Resultat beginnt der
Binärzähler, den 30-Hz-Takt hochzuzählen. Hält eine der
Bedingungen 60 Sekunden lang an, tritt am höchstwertigen
Digitalausgang des Zählers 48 ein Logik-H-Signal auf, das
einen Fehler anzeigt. Dieses Signal lädt über den Puffer
49 und eine Diode 51 einen Kondensator 50. der Kondensator
50 hält die Ladung 20 bis 25 Sekunden lang, was ausreicht,
um an einen Eingang eines Komparators 52 eine Spannung zu
legen, die eine am anderen Eingang 53 des Komparators lie
gende Bezugsspannung übersteigt. Zeigt also der Zähler 48
einen Fehler an, wird der Ausgang 31 des Komparators 52, 20
bis 25 Sekunden lang auf eine Fehlermeldespannung (Logik-
H-Pegel) angehoben. Dieses Intervall ist mit den Werten
des Kondensators 50 und eines Ableitwiderstands 54 vorein
gestellt.
Die erfindungsgemäße Emissionsregelung hält den Sauer
stoffanteil im Abgas unter normalen Arbeitsbedingungen auf
dem Bezugsniveau. Fällt die Regelung jedoch aus, zeigt der
Sauerstoffühler 20 einen Sauerstoffanteil außerhalb des
von den Bezugsspannungen 19 und 44 festgelegten Bereiches
an. Hält dieser Zusand länger als eine Minute an, spricht
der Zähler 48 an und erscheint am Ausgang 31 das Fehler
meldesignal, das den Motor stillsetzt und die Lampe 32 er
regt.
Es ist für den Fachmann einzusehen, daß sich die bevorzug
te Ausführungsform der Erfindung vielfältig abändern läßt,
ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Die
voreingestellten Zeitintervalle und der normale Arbeitsbe
reich hängen erheblich von der Größe des Motors und seiner
Anwendung ab. Es sind zahlreiche Abgassonden im Handel und
ihre Eigenschaften bestimmen im Einzelfall die Verstär
kungsfaktoren der Verstärker und die erforderlichen Fil
terfrequenzen.
Claims (6)
1. System zum Regeln des Mischungsverhältnisses eines
einem Verbrennungsmotor zugeführten Luft/Kraftstoff-Ge
mischs, gekennzeichnet durch einen Fühler
(10), der am Motor (9) angebracht ist, um den Anteil eines
Abgases zu erfassen und ein diesen anzeigendes Analogsig
nal zu erzeugen, durch eine Einrichtung (19) zur Erzeugung
eines Bezugssignals, das den Sollanteil des Abgases an
gibt, durch einen Komparator (20, der das analoge Abgas
signal und das Bezugssignal aufnimmt und betrieblich ein
Ausgangssignal mit einem ersten Logikpegel abgeben kann,
wenn das analoge Abgassignal das Bezugssignal übersteigt,
und ein Ausgangssignal mit einem zweiten Logikpegel abge
ben kann, wenn das analoge Abgassignal unter dem Bezugs
signal liegt, durch einen Taktgenerator (23) zum Erzeugen
von Taktimpulsen, durch ein an den Komparator (20) und an
den Taktgenerator (23) gelegtes Flipflop (21), das be
trieblich den Zustand des Komparatorausgangs bei jedem
Eingang eines Taktimpulses speichern und als Ausgangssign
al ein entsprechendes Richtungssignal erzeugen kann, durch
einen am Motor (9) montierten Schrittschaltmotor (22) zum
Steuern des Luft/Kraftstoff-Gemischs, und durch eine
Schrittschaltmotorsteuerung (25), die an den Taktgenerator
(23) und an das Flipflop (21) angeschlossen ist und be
trieblich den Schrittschaltmotor (22) für jeden empfange
nen Taktimpuls einen Schritt in der vom Zustand des Flip
flops angegebenen Richtung fortschaltet.
2. System nach Anspruch 1, gekennzeich
net durch eine zwischen den Fühler und den Komparator
gelegte Mittelungsschaltung.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß das gemessene Gas Sauerstoff
ist.
4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekenn
zeichnet durch einen Fehlerdetektor (30), der das
analogen Abgassignal aufnimmt und betrieblich einen Fehler
meldet, wenn dieses Signal für ein vorbestimmtes Zeitin
tervall außerhalb eines voreingestellten Bereichs bleibt.
5. System nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Fehlerdetektor Mittel
zum Stillsetzen des Motors für die Dauer eines Abschalt
intervalls aufweist, wenn ein Fehler gemeldet wird.
6. System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Fehlerdetektor eine
Komparatoreinrichtung (40, 41) zur Aufnahme des analogen
Abgassignals und Erzeugung eines Logiksignals, das angibt,
ob dessen Pegel inner- oder außerhalb des voreingestellten
Bereichs liegt, sowie einen an den Taktgenerator und die
Komparatoreinrichtung angeschlossenen Zähler (48) auf
weist, der betrieblich ein Fehlermeldesignal erzeugen
kann, wenn das Logiksignal anzeigt, daß das analoge Abgas
signal länger als das voreingestellte Intervall außerhalb
des voreingestellten Bereich gelegen hat.
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