DE69204699T2

DE69204699T2 - System zur Steuerung einer Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses eines Verbrennungsmotors.

Info

Publication number: DE69204699T2
Application number: DE69204699T
Authority: DE
Inventors: Luca Biagini; Pietro Nenzioni
Original assignee: Magneti Marelli SpA
Current assignee: Marelli Europe SpA
Priority date: 1991-01-29
Filing date: 1992-01-27
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2012-01-28
Also published as: IT1245011B; EP0497236A3; EP0497236B1; ITTO910049A1; DE69204699D1; EP0497236A2; ITTO910049A0; ES2079696T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Steuerung einer Reguliervorrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer Brennkraftmaschine des im Oberbegriff des Anspruches 1 definierten Typs.
Eines der Hauptprobleme bei der Konstruktion einer Maschine betrifft das Vorhandensein von schädlichen Substanzen im Abgas wie beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Stickoxid usw. Aus diesem Grund sind Fahrzeuge mit einem System ausgestattet, um das Brennstoff-Luftverhältnis zu regulieren (durch Steuerung eines Ventils im Lufteinlaßkrümmer), um so eine Verbrennung der Mischung und die Wirksamkeit eines Katalysators zu verbessern, der zu dem Zweck vorgesehen ist, um die schädlichen Substanzen zu beseitigen und der äußerst wirksam bei einem gegebenen stoichiometrischen Wert der Mischung ist. Die oben erwähnte Regulierung hängt von einem speziellen Sensor ab, um das Vorhandensein von Sauerstoff im Abgas zu detektieren.
Momentan verwendete Systeme umfassen einen Sauerstoff-Sensor; einen Elektronik-Block zum Vorspannen des Sensors mit einer gegebenen Spannung; einen Signalverstärker; ein elektronisches Steuersystem; und ein Stellglied, um das Regulierventil zu steuern. Der Hauptnachteil solcher Systeme liegt in den elektronischen Blöcken, die mit jeweiligen miteinander verbundenen Bezugsmassen bzw. Erdungen verbunden sind, was dann zu einem Schleifensystem führt, welches hochempfindlich gegenüber einer externen elektromagnetischen Störung ist als auch gegenüber einer internen Störung, die durch nahe verlaufende Hochspannungskabel verursacht wird (an dem elektronischen Zündsystem) und auch durch die extrem lange Drahtverbindung, die erforderlich ist, um den Sensor mit dem elektronischen Steuersystem zu verbinden, die auch als eine Antenne für elektromagnetische Störung wirkt. Derartige Systeme sind auch hochempfindlich gegenüber der Temperatur, insbesondere einer variierenden Temperatur der Bezugsmassen, die aufgrund ihres Zusammengeschaltetseins zu einem Versatz der Bezugsspannung führen können und demzufolge auch in Verbindung mit den elektrischen Signalen, die durch das System gesendet werden.
Ein Steuersystem des im Oberbegriff des Anspruches 1 definierten Typs ist in der US-A-4 177 770 offenbart. Ferner zeigt und beschreibt die DE-A-3 313 783 eine Einrichtung zum Vorspannen eines Sauerstoff-Sensors mit einer gegebenen Gleichspannungs- Vorspannung.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein System des oben erwähnten Typs zu schaffen, welches eine Einrichtung zum Vorspannen des Sauerstoff-Sensors enthält und welches ein Ausgangssignal in solcher Weise erzeugt, daß letzteres in richtiger Weise durch das elektronische Steuersystem interpretiert werden kann, um das Brennstoff-Luftverhältnis zu regulieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Steuerung der Reguliervorrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer Brennkraftmaschine geschaffen, wie im Anspruch 1 angegeben ist.
Im folgenden soll eine bevorzugte, nicht einschränkende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiels unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figuren 2 und 3 Schaltungsdiagramme von zwei Blöcken in dem System der Fig. 1 zeigen.
In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein System zum Steuern einer Reguliervorrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer Brennkraftmaschine bezeichnet. Abhängig von der Sauerstoffmenge, die im Abgas detektiert wird, steuert das System 1 ein Regulierventil innerhalb des Lufteinlaß-Krümmers, um dadurch ein gegebenes Verhältnis der Luft-Brennstoffmischung zu erreichen, welches so beschaffen sein muß, daß eine wirksame Verbrennung der Mischung erreicht wird und daß jegliche schädlichen Substanzen durch einen Katalysator (nicht gezeigt) wirksam beseitigt werden. Der ideale stoichiometrische Wert des Mischungsverhältnisses liegt bekanntermaßen bei ca. 14,7 des Luft-Brennstoffverhältnisses.
Das System 1 enthält einen bekannten Sauerstoff-Sensor 2, in bevorzugter Weise aus Zirkon oder Titanoxid, der in dem Abgaskanal installiert ist und elektrisch schematisiert durch eine Spannungsquelle 3 und einen Widerstand 4, der mit der Quelle 3 in Reihe geschaltet ist, wiedergegeben ist. Die Quelle 3 ist mit einer ersten Bezugsmasse 5 verbunden, die durch das Maschinengehäuse oder eine mechanische Komponente, die an dasselbe angeschlossen ist, definiert ist und die als veränderlich zu betrachten ist, d.h. ein elektrisches Potential besitzt, welches gemäß den Betriebsbedingungen der Maschine (Drehzahl, Temperatur usw.) und gemäß irgendeiner am Fahrzeug vorhandenen oder am Fahrzeug nicht vorhandenen elektromagnetischen Störung schwankt. Der Widerstandswert des Widerstandes 4 eines Sauerstoff-Sensors ist umgekehrt proportional zu der Umgebungstemperatur des Widerstandes.
Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, bildet das mit dem Sensor 2 in Reihe geschaltete System 1 einen elektronischen Block 6, um den Sensor 2 mit einer gegebenen Gleichspannung von +V1 vorzuspannen. Wie dies bekannt ist, wird zur Bestimmung des Betriebes des Sauerstoff-Sensors dieser auf einen gegebenen Spannungswert vorgespannt, so daß dann, wenn die Maschine angelassen wird, das einem elektronischen Steuersystem zugeführte Signal in der Tat der Vorspannungswert ist in Hinblick auf die Tatsache, daß der Wert des Widerstandes 4 für ein durch den Sensor zu erzeugendes Signal zu hoch ist. Das von dem elektronischen Steuersystem empfangene Signal wird daher als nicht von dem Sensor erzeugtes Signal interpretiert. Wenn andererseits das Signal um den Vorspannungswert oszilliert, interpretiert das elektronische Steuersystem dieses als vom Sensor erzeugt und verarbeitet es, um das Mischungsverhältnis zu regulieren. Der Block 6 wirkt als eine stabilisierte Spannungsquelle, deren Ausgangssignal grob genommen gleich ist der Vorspannung +V1 und zwar deshalb, weil es durch die Differenz zwischen dem vom Sensor 2 erzeugten Signal und der Spannung +V1 definiert ist. Der Block 6 umfaßt einen Operationsverstärker 7; einen ersten Spannungsteiler, der mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 7 verbunden ist; einen zweiten Spannungsteiler, der mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 7 verbunden ist; und eine Gegenkopplungsschleife, um die Einheitsverstärkung des Verstärkers 7 zu bestimmen.
Der erste Spannungsteiler enthält einen Widerstand 8, von dem ein erster Anschluß mit dem positiven Pol einer +V1 Energiequelle (nicht gezeigt) verbunden ist. Der zweite Anschluß des Widerstandes 8 ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 7 und mit einem ersten Anschluß eines zweiten Widerstandes 12 verbunden, wobei der zweite Anschluß desselben mit Masse 5 verbunden ist. Der zweite Spannungsteiler umfaßt einen Widerstand 12, von dem ein erster Anschluß mit dem positiven Pol der Energiequelle verbunden ist. Der zweite Anschluß des Widerstandes 12 ist über einen Widerstand 14 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 7 und mit einem ersten Anschluß eines Widerstandes 13 verbunden, wobei der zweite Anschluß dieses Widerstandes mit Masse 5 verbunden ist. Die Rückkopplungsschleife ist durch einen Widerstand 15 festgelegt, der den Ausgang des Verstärkers 7 mit dessen invertierendem Eingang verbindet. Stromabwärts von dem Zweig, der durch die Rückkopplungsschleife definiert ist, ist der Ausgang des Verstärkers 7 mit dem Sensor 2 über einen Widerstand 16 verbunden. Von dem Verbindungspunkt des Sensors 2 und dem Block 6 geht ein elektrisches Kabel ab, welches mit einem Signal verstärkenden Block 17 verbunden ist, der seinerseits mit Masse 5 verbunden ist. Der Block 17 ist insofern erforderlich als das Ausgangssignal des Sensors 2 normalerweise zwischen 0,1 und 1V reicht, während die Einrichtungen zum Verarbeiten des Signals in bevorzugter Weise mit Signalen über 0,5V arbeiten. Die Widerstände 8, 11, 14, 15 und 16 haben den gleichen Wert, während die Widerstände 12 und 13 jeweils ein und zehn Prozent des Wertes des Widerstandes 8 haben. Die aktuelle Vorspannung des Sensors 2 ist daher gleich der algebraischen Summe aus der Spannung von Erde bzw. Masse 5 und der Vorspannung +V1 und ist als solche ebenfalls variabel.
Das System 1 enthält ferner:
einen Block 18 zum Umsetzen des Ausgangssignals des Blocks 17 relativ zur Masse 5 in ein Signal relativ zur Masse 21, die eine konstante Bezugsspannung bildet und daher normalerweise als Signalmasse bezeichnet wird;
einen Analog/Digital-Umsetzblock 22, der an die Masse 21 angeschlossen ist;
ein elektronisches Steuersystem 23, welches mit der Masse 21 verbunden ist, um Signale betreffend die Betriebsbedingungen der Maschine (Temperatur und die Dichte der Einsaugluft, Maschinendrehzahl usw.) zu verarbeiten und um das von dem Sensor und nun durch die Blöcke 18 und 22 umgesetzte Signal in ein digitales Signal relativ zur Masse 21 umzusetzen; und
einen Block 24, der durch das elektronische Steuersystem 23 in Bereitschaft gesetzt wird, um das Stellglied, welches das Ventil in dem Luftansaugkrümmer reguliert, zu steuern.
Wie in Fig.3 gezeigt ist, enthält der Block 18 einen Operationsverstärker 25; einen ersten Spannungsteiler, der an den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 25 angeschlossen ist, einen zweiten Spannungsteiler, der an den invertierenden Eingang des Verstärkers 25 angeschlossen ist; eine Gegenkopplungsschleife, um die Einheitsverstärkung des Verstärkers 25 zu bestimmen. Der Block 18 wirkt als stabilisierte Spannungsquelle zum Erzeugen eines Signals ( im Block 17 wie angegeben verstärkt), welches proportional zum Ausgangssignal des Blocks 6 ist, jedoch auf die Masse 21 bezogen ist. Der erste Spannungsteiler enthält einen Widerstand 26, von dem ein erster Anschluß mit dem positiven Pol der Energiequelle verbunden ist. Der zweite Anschluß des Widerstandes 26 ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 25 und mit einem ersten Anschluß eines zweiten Widerstandes 27 verbunden, wobei der zweite Anschluß dieses Widerstandes mit Masse 21 verbunden ist. Der zweite Spannungsteiler enthält einen Widerstand 28, von dem ein erster Anschluß mit dem positiven Pol der Energiequelle verbunden ist. Der zweite Anschluß des Widerstandes 28 ist mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 25 und mit einem ersten Anschluß eines Widerstandes 31 verbunden, dessen zweiter Anschluß mit der Masse 5 verbunden ist. Die Rückkopplungsschleife ist durch einen Widerstand 32 gebildet, der den Ausgang des Verstärkers 25 mit dessen invertierendem Eingang verbindet. Der Block 17 ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 25 über einen Widerstand 33 verbunden. Die Widerstände 26, 27, 28, 31, 32 und 33 haben den gleichen Widerstandswert. Der Block 18 regeneriert und konvertiert daher das Signal vom Sensor 2 in ein Signal Vu (Fig.3) relativ zur Masse 21, welches in dem Steuersystem 23 festgelegt ist und auf einer konstanten Bezugsspannung gehalten wird. Die Masse 21 ist auch zwangsweise von jeglicher mechanischer Komponente an dem Fahrzeug isoliert und daher auch von der Masse 5, so daß diese von den Betriebsbedingungen der Maschine, ein am Fahrzeug oder vom Fahrzeug entfernt auftretenden elektromagnetischen Störung oder unterschiedlichen Temperaturen an den verschiedenen Teilen des Fahrzeugs unbeeinflußt ist.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung.
Es ist insbesondere Sorge dafür getragen, das elektronische Steuersystem mit einem Signal zu versorgen, welches vollständig von einer elektromagnetischen Störung unbeeinflußt ist, wodurch eine korrekte Verarbeitung der ankommenden Signale ermöglicht wird; es ergibt sich ferner eine genauere Regulierung des Brennstoff-Luftverhältnisses; und demzufolge ergibt sich eine verbesserte Verbrennung und auch eine Beseitigung von schädlichen Substanzen. Die oben aufgeführten Vorteile führen auch zu weiteren Vorteilen in Verbindung mit einer Verschmutzung und der Betriebsweise der Maschine. Ein verbesserter Verbrennungswirkungsgrad führt in der Tat zu einer Reduzierung des Brennstoffverbrauchs; reduziert das Verschmutzen der Verbrennungskammer und auch der Maschine im allgemeinen; vermindert den Verschleiß der Maschine; verbessert das Ansprechverhalten der Maschine usw. Auch läßt sich das System 1 einfach herstellen und installieren und zwar sowohl als Ersteinbaukomponente als auch anstelle bestehender Systeme, in welchem Fall keine wesentlichen oder kostspieligen Veränderungen an dem Fahrzeug erforderlich sind. Demzufolge läßt sich das System 1, zusätzlich zu der Tatsache, daß es wesentlich für die Sicherstellung einer effektiven Regelung des Brennstoff-Luftverhältnisses ist, auch billig herstellen.

Claims

1. System zur Steuerung der Reguliervorrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer Brennkraftmaschine, mit

einer ersten variablen Bezugsmasse (5), die in bevorzugter Weise aus dem Maschinengehäuse oder einer mit demselben verbundenen mechanischen Komponente besteht, deren elektrisches Potential gemäß den Betriebsbedingungen der Maschine und der Wechselwirkung von am Fahrzeug auftretenden oder vom Fahrzeug entfernt auftretenden elektromagnetischen Feldern variiert,

einem Sauerstoff-Sensor (2), der elektrisch an die erste Masse (5) angeschaltet ist und der in dem Abgaskanal installiert ist, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, welches der Sauerstoffmenge entspricht, die in dem Abgas detektiert wurde,

einem ersten Elektronik-Block (6), der mit der ersten Masse (5) verbunden ist und eine Ausgangsgröße als Funktion des von dem Sensor (2) erzeugten Signals erzeugt,

einer zweiten Bezugs-oder Signal-Masse (21) mit einem konstanten elektrischen Potential, die in bezug auf die erste Masse (5) isoliert ist,

einem zweiten Elektronik-Block (18) zum Umsetzen des Ausgangssignals des ersten Blocks (6), welches mit der ersten Masse (5) in bezug gesetzt ist, in ein Signal, welches mit der zweiten Masse (21) in bezug gesetzt ist,

ein elektronisches Steuersystem (23), welches mit der zweiten Masse (21) verbunden ist, um Signale zu verarbeiten, die in bezug stehen zu den Betriebsbedingungen der Maschine wie beispielsweise der Temperatur und der Dichte der Ansaugluft, der Maschinendrehzahl und um das Ausgangssignal des zweiten Blocks (18) zu verarbeiten, und

einem dritten Elektronik-Block (24), der durch das elektronische Steuersystem (23) in Bereitschaft gesetzt wird, um ein Stellglied zum Regulieren des Brennstoff-Luftverhältnisses der Luft-Brennstoffmischung, die der Maschine zugeführt wird, zu steuern,

dadurch gekennzeichnet, daß

der erste Elektronik-Block (6) eine Einrichtung enthält, um den Sensor (2) mit einer gegebenen Gleichspannungs-Vorspannung (+V1) vorzuspannen und um so ein Ausgangssignal als Funktion der Differenz zwischen dem Signal, welches durch die Vorspannung (+V1) definiert ist, und dem Signal, welches von dem Sensor (2) erzeugt wird, zu erzeugen, wobei die tatsächliche Vorspannung in Hinblick darauf variabel ist, daß sie durch die algebraische Summe aus der Vorspannung (+V1) und dem elektrischen Potential der ersten Masse (5) gebildet ist, und dadurch, daß der erste Block (6) einen ersten Operationsverstärker (7), einen mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten Verstärkers (7) verbundenen ersten Spannungsteiler, einen mit dem invertierenden Eingang des ersten Verstärkers (7) verbundenen zweiten Spannungsteiler und eine Gegenkopplungsschleife zur Bestimmung der Einheitsverstärkung des ersten Verstärkers (7) enthält,

wobei jeweils die Eingänge und der Ausgang des Verstärkers (7) in elektrischer Verbindung mit der Vorspannung stehen und das elektrische Signal der detektierten Sauerstoffmenge entspricht.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen vierten Block (17) enthält, der mit der ersten Masse (5) verbunden ist, um das Ausgangssignal des ersten Blocks (6) zu verstärken.

3. System nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen fünften Elektronik-Block (22) enthält, der mit der zweiten Masse (21) verbunden ist, um das analoge Ausgangssignal des zweiten Blocks (18) in ein digitales Signal umzusetzen, um dieses dem elektronischen Steuersystem (23) zuzuführen.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spannungsteiler einen ersten Widerstand (8) enthält, dessen erster Anschluß mit dem positiven Pol einer elektrischen Energiequelle verbunden ist, der den Wert der Vorspannung (+V1) hat, und dessen zweiter Anschluß mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten Verstärkers (7) und mit einem ersten Anschluß eines zweiten Widerstandes (11) verbunden ist, dessen zweiter Anschluß mit der ersten Masse (5) verbunden ist, daß der zweite Spannungsteiler einen dritten Widerstand (12) enthält, dessen erster Anschluß mit dem positiven Pol der Quelle verbunden ist, und dessen zweiter Anschluß über einen vierten Widerstand (14) mit dem invertierenden Eingang des ersten Verstärkers (7) und mit einem ersten Anschluß eines fünften Widerstandes (13) verbunden ist, dessen zweiter Anschluß mit der ersten Masse (5) verbunden ist.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschleife durch einen sechsten Widerstand (15) definiert ist, der den Ausgang des ersten Verstärkers (7) mit dessen invertierendem Eingang verbindet, und daß stromabwärts von dem Zweig, der durch die Rückkopplungsschleife definiert ist, der Ausgang des ersten Verstärkers (7) über einen siebten Widerstand (16) mit dem Sensor (2) und dem dritten Block (18) verbunden ist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, der zweite, der vierte, der sechste und der siebte Widerstand (8, 11, 14, 15 und 16) den gleichen Widerstandswert haben, während der dritte und der fünfte Widerstand (12 und 13) ein Prozent bzw. zehn Prozent des Wertes des ersten Widerstandes (8) haben.

7. System nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Block (18) einen zweiten operationsverstärker (25), einen dritten Spannungsteiler, der an den nicht invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers (25) angeschaltet ist, einen vierten Spannungsteiler, der an den invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers (25) angeschaltet ist, und eine zweite Gegenkopplungsschleife enthält, um die Einheitsverstärkung des zweiten Verstärkers (25) zu bestimmen.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Spannungsteiler einen achten Widerstand (26) enthält, dessen erster Anschluß mit dem positiven Pol einer Energiequelle verbunden ist, die den Wert der Vorspannung (+V1) hat und dessen zweiter Anschluß mit dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers (25) und mit einem ersten Anschluß eines neunten Widerstandes (27) verbunden ist, dessen zweiter Anschluß mit der zweiten Masse (21) verbunden ist, wobei der vierte Spannungsteiler einen zehnten Widerstand (28) enthält, dessen erster Anschluß mit dem positiven Pol der genannten Quelle verbunden ist und dessen zweiter Anschluß mit dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers (25) und mit einem ersten Anschluß eines elften Widerstandes (31) verbunden ist, dessen zweiter Anschluß mit der ersten Masse (5) verbunden ist.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rückkopplungsschleife durch einen zwölften Widerstand (32) definiert ist, der den Ausgang des zweiten Verstärkers (25) mit dessen invertierendem Eingang verbindet.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der achte, der neunte, der zehnte, der elfte und der zwölfte Widerstand (26, 27, 28, 31 und 32) den gleichen Widerstandswert haben.