EP0306906A2 - Einrichtung zur Regelung des Verbrennungs-Luftverhältnisses einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Einrichtung zur Regelung des Verbrennungs-Luftverhältnisses einer Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0306906A2
EP0306906A2 EP88114559A EP88114559A EP0306906A2 EP 0306906 A2 EP0306906 A2 EP 0306906A2 EP 88114559 A EP88114559 A EP 88114559A EP 88114559 A EP88114559 A EP 88114559A EP 0306906 A2 EP0306906 A2 EP 0306906A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
speed
power
counter
comparator
signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP88114559A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0306906A3 (de
Inventor
Johann Margreiter
Bernhard Hofer
Günther Dipl.-Ing. Rabanser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Original Assignee
Jenbacher Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jenbacher Werke AG filed Critical Jenbacher Werke AG
Publication of EP0306906A2 publication Critical patent/EP0306906A2/de
Publication of EP0306906A3 publication Critical patent/EP0306906A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1497—With detection of the mechanical response of the engine
    • F02D41/1498—With detection of the mechanical response of the engine measuring engine roughness
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/10—Parameters related to the engine output, e.g. engine torque or engine speed
    • F02D2200/1015—Engines misfires

Definitions

  • the invention relates to a device for regulating the combustion-air ratio of an internal combustion engine operated in lean operation as a function of speed fluctuations or power fluctuations thereof, with a speed or power detection device which has an analog, electrical speed or power corresponding to the speed or power of the engine.
  • Power signal delivers, with a speed or power evaluation device connected downstream of the speed or power detection device and containing at least one filter, a differentiator and a comparator, at the output of which an output signal linked to the derivation of the speed or power signal is available, and with a comparison device , which compares this output signal with a preferably adjustable target value and controls the combustion / air ratio via an actuating device as a function of the comparison result.
  • Such a device is known from US Pat. No. 3,789,816.
  • the purpose of the device described there is to operate a motor intended for vehicles as lean as possible, but without exceeding a certain predetermined uneven running.
  • the speed signal is filtered in a speed evaluation device, differentiated and then rectified in full wave.
  • the level of the output signal of the speed evaluation device represents a measure of the overall uneven running of the engine that can be perceived by the driver of the vehicle, for example, and is compared in a comparator with an adjustable target value.
  • the comparison result signal controls an actuating device via an integrator, which changes the combustion-air ratio accordingly and thus ultimately regulates the overall smooth running of the engine.
  • the invention is based on a completely different object, namely to create a device of the type mentioned at the outset, which ultimately enables pollutant control by regulating the combustion-air ratio.
  • the invention is based on the knowledge that pollutants in the exhaust gases, in particular NO x , decrease with increasing combustion-air ratio in engines operated in lean operation near the so-called misfiring limit, while at the same time the number of mostly aperiodic, rapid speed or power fluctuations and the uneven running increases accordingly.
  • the speed or power evaluation device has a high-pass filter arranged in front of the differentiating element and in that the output of the comparator connected downstream of the differentiating element is connected to a counter, the comparator providing the filtered and differentiated speed or power signal with a threshold value compares and changes the counter reading of the counter within a measuring period specified by a timer, the output signal of the speed or power evaluation device corresponding to the counter reading preferably present at the end of each measuring period.
  • the high-pass filter provided on the input side in the speed evaluation circuit serves, on the one hand, to eliminate the DC voltage component of the speed signal and, on the other hand, to ensure that a change in the speed from the outside, which is always relatively slow in relation to the duration of the typical speed drops, is not assessed as a speed fluctuation relevant for the pollution control.
  • the small periodic fluctuations in speed which always occur due to the sequence of the different cycles of the individual cylinders, do not occur in the device according to the invention.
  • speed fluctuations the derivation (slope) of which exceeds a predetermined threshold value (and only such speed fluctuations) lead to a change in the counter reading and are counted over an adjustable measuring period.
  • the speed signal is thus analyzed.
  • the counter reading at the end of each period indicates the "current" uneven running. This is compared to a target value. If the current uneven running is above the setpoint, the mixture is made richer (combustion-air ratio ⁇ reduced), which reduces the running rest increased. In the opposite case, the mixture is made lean ( ⁇ increased).
  • certain pollutant components in particular NO x , are kept in a narrow control range below a pollutant limit.
  • a comparison device which continuously compares the counter's zen count with a predetermined value and which, when this value is exceeded or fallen below Actuating device causes an immediate reduction in the combustion-air ratio (enrichment) regardless of the measuring period.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that a device for determining an average speed value and / or a device for determining a power value is provided, and that the comparator of the speed or power evaluation device has at least one further input via which the threshold value with which the filtered and differentiated speed or power signal is compared in the comparator is changeable depending on the current average speed and / or a power value of the engine.
  • the current average speed essentially corresponds to the speed of the engine without the impressed speed fluctuations.
  • the current average speed can be determined, for example, by providing a low-pass filter which receives the speed or power signal from the speed or power detection device and whose output supplies a signal indicating the current average speed or power.
  • the speed evaluation device includes an electronic memory device for storing one of the has an average speed and / or engine power-dependent, engine-specific characteristic diagram for the threshold value mentioned, according to which characteristic diagram the current threshold value can preferably be determined in a microprocessor-dependent manner as a function of the current average speed and / or current engine power.
  • the characteristic map is determined for a specific engine type in the preliminary test, for example by operating the engine according to a predetermined grid at different outputs and / or speeds and determining the pollutant concentration and the uneven running.
  • the threshold value can be adapted to the current power in that a power signal is fed to a threshold value input of the comparator via a preferably substantially linear amplifier unit.
  • the average speed value can be fed to a threshold input of the comparator via an amplifier (possibly non-linear).
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an example of the use of the control device according to the invention in a stationary gas engine operated in lean operation
  • FIG. 2 shows a block diagram of the exemplary embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 1, which carries out a speed analysis.
  • the stationary gas engine 1 shown in FIG. 1 is supplied with a gas-air mixture, which the gas mixer 5 prepares, via an exhaust gas turbocharger 2, a throttle valve 3 and a charge air cooler 4.
  • the gas supply line is designated by 6, the air supply line by 7 and the exhaust gas line by 11.
  • an air bypass line 8 is provided, in which a control valve 10 which is adjustable via a servomotor 9 is arranged.
  • the essential components of an exemplary embodiment of the device according to the invention for regulating pollutants are summarized in the unit designated overall by 12. This unit receives a speed signal n detected by the speed sensor 13 and a pressure signal p, which is used as a rough measure of the engine output, and which is recorded by the pressure meter 14.
  • the smooth running of the engine is controlled via the combustion / air ratio ⁇ ( at a distance from the so-called dropout limit) and thus ultimately regulates the pollutant concentration (in particular NO x concentration).
  • FIG. 2 An exemplary embodiment of the control device according to the invention, which carries out a speed analysis to determine an uneven running dimension, is shown in FIG. 2 in the block diagram.
  • the device shown in FIG. 2 has the following assemblies surrounded by dashed lines: a speed detection device 16 which supplies an analog speed signal on line 17, a device 18 for determining a speed signal correlated with the mean current speed (on line 19), a device 20 for detecting and determining a power signal correlated with the current engine power (on line 21) and the actual speed evaluation circuit 22, which analyzes the speed signal on line 17 (depending on the signals on lines 19 and 21) and as an output signal (on line 23 ) outputs an uneven running value which has already been evaluated as a function of the current average speed and current output and which is compared in the comparison device 24 with a desired value present on line 15.
  • the mixture for the engine 1 is made leaner or richer by means of the servo motor 9, so that the smoothness and ultimately the pollutant concentration are regulated within predetermined limits.
  • the speed sensor 13 continuously detects the speeds of the engine.
  • the frequency of the recording signal is converted in the frequency-voltage converter 34 into the analog speed signal on line 17.
  • this speed signal initially runs on the input side via a high-pass filter 24 provided according to the invention, the cut-off frequency of which is approximately 8 Hz.
  • This as Active filter constructed high-pass filter 24 eliminates the DC voltage component and prevents relatively slow speed changes from the outside from being interpreted as uneven running.
  • the following differentiator 25 differentiates the filtered speed signal. The size of the output signal of the differentiating element 25 thus measures the changes (derivation) of the speed signal.
  • This output signal now arrives at the comparator 26 provided according to the invention, the output 26a of which is connected to a digital counter 27 and which compares the filtered and differentiated speed signal with a threshold value and at lower or lower values. exceed the same changed the counter reading of the counter 27.
  • a timer 28 determines the duration t m of the measuring periods during which the output pulses are counted, which result from fluctuations (drops) in the speed signal and a steepness exceeding a certain value.
  • the counter reading at the end of each measurement period lasting, for example, about 3 seconds forms the output signal (uneven running) of the speed evaluation device 22.
  • This output signal advantageously remains stored in the output memory 27a of the counter 27 until the end of the following measurement period, while the counter itself periodically at the beginning via a reset input 27b every measurement period is set to zero.
  • the threshold value above which a speed fluctuation (more precisely: its slope) is considered relevant, i.e. from which the counter 27 is counted up, can be adjusted depending on the current average speed and the current engine power in order to do this.
  • a speed fluctuation more precisely: its slope
  • the device 18 has a low-pass filter 29 with a cut-off frequency of approximately 1 Hz, the output signal of which is fed via a possibly non-linear amplifier unit 30 to a threshold value input 26b of the comparator 26 is.
  • the mixture pressure p which the pressure gauge 14 receives is used as a rough measure of the engine output.
  • the power signal reaches a further threshold value input 26c of the comparator 26 via two converters 31 and 32 and an essentially linear amplifier unit 33.
  • the comparator 26 can have only one threshold value input, via which it receives the current speed and power-dependent threshold value.
  • This threshold value can be determined, for example, in a microprocessor-based threshold value determination circuit on the basis of a stored engine-specific characteristic map (threshold value versus average speed and power) determined in preliminary tests.
  • the above-mentioned characteristic map can be obtained from an investigation of the relationship between pollutant emissions, which are ultimately supposed to be regulated, and the speed fluctuations at various medium speeds and outputs.
  • the invention is not limited to stationary gas engines.
  • a power signal can also be analyzed, provided that it reproduces the unrest with sufficient accuracy.

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Abstract

Einrichtung zur Regelung des Verbrennungs-Luftverhältnisses (λ) eines im Magerbetrieb betriebenen Motors (1) in Abhängigkeit von Drehzahlschwankungen desselben. Es ist eine Drehzahlanalyseschaltung (22) vorgesehen, die ein elektrisches Drehzahlsignal auf Schwankungen analysiert. Die Drehzahlanalyseschaltung (22) weist dazu ein Hochpaßfilter (24), ein Differenzierglied (25) und einen diesem nachgeschalteten Komparator auf, dessen Ausgang (26a) mit einem digitalen Zähler (27) verbunden ist und der das gefilterte und differenzierte Drehzahlsignal mit einem Schwellwert vergleicht und bei überschreiten desselben den Zählerstand des Zählers (27) innerhalb einer von einem Zeitgeber (28) vorgegebenen Meßperiode verändert. Gemäß dem Zählerstand am Ende jeder Meßperiode, der eine Laufunruhemaß darstellt, wird das Verbrennungs-Luftverhältnis (λ) geregelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung des Verbrennungs-Luftverhältnisses einer im Magerbetrieb betriebenen Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Dreh­zahlschwankungen oder Leistungsschwankungen derselben, mit einer Drehzahl- bzw. Leistungserfassungseinrichtung, die ein der Drehzahl bzw. Leistung des Motors entsprechen­des, analoges, elektrisches Drehzahl- bzw. Leistungssignal liefert, mit einer der Drehzahl- bzw. Leistungserfassungs­einrichtung nachgeschalteten und mindestens ein Filter, ein Differenzierglied und einen Komparator enthaltenden Drehzahl- bzw. Leistungsauswerteinrichtung, an deren Ausgang ein mit der Ableitung des Drehzahl- bzw. Leistungssignales verknüpftes Ausgangssignal bereitsteht, und mit einer Ver­gleichseinrichtung, die dieses Ausgangssignal mit einem vorzugsweise einstellbaren Sollwert vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis das Verbrennungs-Luft­verhältnis über eine Stelleinrichtung regelt.
  • Eine derartige Einrichtung ist aus der US-PS 3.789.816 bekannt. Der Zweck der dort beschriebenen Einrichtung ist es, einen für Fahrzeuge bestimmten Motor möglichst mager zu betreiben, ohne jedoch eine bestimmte vorgegebene Laufunruhe zu überschreiten. Um ein Maß für die Lauf­unruhe zu erhalten, wird das Drehzahlsignal in einer Drehzahlauswerteinrichtung gefiltert, differenziert und anschließend vollwellengleichgerichtet. Die Höhe des Ausgangssignales der Drehzahlauswerteinrichtung stellt ein Maß für die beispielsweise vom Fahrer des Fahrzeuges wahrnehmbare Gesamtlaufunruhe des Motors dar und wird in einem Komparator mit einem einstellbaren Sollwert verglichen. Das Vergleichsergebnissignal steuert über einen Integrator eine Stelleinrichtung an, die das Verbrennungs-Luftverhältnis entsprechend verändert und damit letztlich die Gesamtlaufruhe des Motors regelt.
  • Der Erfindung liegt eine völlig andere Aufgabe zugrunde, nämlich eine Einrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die über eine Regelung des Verbrennungs-­Luftverhältnisses letztlich eine Schadstoffregelung ermöglicht.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei im Magerbetrieb betriebenen Motoren in der Nähe der sogenannten Aussetzergrenze Schadstoffe in den Abgasen, insbesondere NOx, mit steigendem Verbrennungs-Luftver­hältnis abnehmen, während gleichzeitig die Zahl von meist aperiodischen, raschen Drehzahl- bzw. Leistungs­schwankungen und dementsprechend die Laufunruhe zunehmen. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Drehzahl- bzw. Leistungsauswerteinrichtung ein vor dem Differenzierglied angeordnetes Hochpaßfilter und daß der Ausgang des dem Differenzierglied nachgeschalteten Komparators mit einem Zähler verbunden ist, wobei der Komparator das gefilterte und differenzierte Drehzahl- bzw. Leistungssignal mit einem Schwellwert vergleicht und bei Unter- bzw. Über­schreiten desselben den Zählerstand des Zählers inner­halb einer von einem Zeitgeber vorgegebenen Meßperiode verändert, wobei das Ausgangssignal der Drehzahl- bzw. Leistungsauswerteinrichtung dem vorzugsweise am Ende jeder Meßperiode vorhandenen Zählerstand entspricht.
  • Ähnlich wie bei der Einrichtung der bereits genannten US-PS 3.789.816 wird auch beim Erfindungsgegenstand ein bestimmtes Maß für die Laufunruhe erfaßt und herangezogen, um das Verbrennungs-Luftverhältnis zu regeln. Bei der bekannten Einrichtung wird zwar das Drehzahlsignal eben­falls differenziert, durch die folgende Vollwellen­gleichrichtung und die dem Komparator folgende Integration gehen aber kurze und spitze Drehzahlschwankungen kaum ein. Es wird vielmehr ein Maß für eine Art "Gesamtlaufunruhe" ermittelt. Es ist aber gerade die Anzahl dieser scharfen Drehzahlspitzen(-einbrüche) pro Zeiteinheit, die ein geeignetes, mit den Schadstoffen korrelliertes Laufunruhe­maß darstellt.
  • Im folgenden wird der Einfachheit halber hauptsächlich nur mehr von einer Analyse der Drehzahlschwankungen ge­sprochen werden, wenngleich auch ein genaues Leistungs­signal analysiert werden kann, um ein Laufunruhemaß zu erhalten. Das Laufunruhemaß liegt als Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Drehzahlauswertschaltung vor und wird zur Schadstoffregelung herangezogen.
  • Das in der Drehzahlauswertschaltung eingangsseitig vor­gesehene Hochpaßfilter dient einerseits zur Elimination des Gleichspannungsanteiles des Drehzahlsignales und andererseits dazu, daß ein - im Verhältnis zur Dauer der typischen Drehzahleinbrüche immer relativ langsames - Verändern der Drehzahl von außen nicht als für die Schadstoffregelung relevante Drehzahlschwankung bewertet wird. An dieser Stelle wird bemerkt, daß die geringen periodischen Drehzahlschankungen, die aufgrund der Abfolge der verschiedenen Takte der einzelnen Zylinder immer auftreten, bei der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht eingehen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung führen Dreh­zahlschwankungen, deren Ableitung (Steigung) einen vor­bestimmten Schwellwert überschreiten (und nur solche Drehzahlschwankungen), zu einer Veränderung des Zähler­standes und werden über eine einstellbare Meßperiode gezählt. Es erfolgt also eine Analyse des Drehzahl­signales. Der Zählerstand am Ende jeder Periode gibt die "aktuelle" Laufunruhe an. Diese vergleicht man mit einem Sollwert. Liegt die aktuelle Laufunruhe über dem Sollwert, so wird das Gemisch fetter gestellt (Ver­brennungs-Luftverhältnis λ vermindert), was die Lauf­ ruhe erhöht. Im umgekehrten Fall wird das Gemisch mager gestellt ( λ erhöht). Gleichzeitig mit der Regelung des Laufunruhemaßes gemäß der Erfindung werden bestimmte Schadstoffanteile, insbesondere NOx, in einem engen, unterhalb einer Schadstoffgrenze liegenden Regelbereich gehalten.
  • Zur Vermeidung von groben Laufunruhen bzw. von einem Ab­sterben des Motors kann gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung vorgesehen sein, daß eine Vergleichsein­richtung vorgesehen ist, die zen Zählerstand des Zählers laufend mit einem vorgegebenen Wert vergleicht und die bei über- bzw. Unterschreiten dieses Wertes die Stell­einrichtung unabhängig von der Meßperiode zu einer sofortigen Erniedrigung des Verbrennungs-Luftverhältnisses (Anfettung) veranlaßt.
  • Die Vorteil der erfindungsgemäßen Schadstoffregelung gegenüber bisher bekannten Schadstoffregelungen liegen vor allem in der leichten Nachrüstbarkeit, in der geringen Zahl an Meßeinrichtungen, wobei es etwa für die Drehzahl schon im Handel erhältliche Standardauf­nehmer gibt, und in den insgesamt relativ geringen Kosten der Einrichtung. Außerdem reagiert die erfindungs­gemäße Einrichtung auch auf andere Einflüsse der Lauf­unruhe, wie Zündkerzenausfall etc.
  • Die Schadstoffregelung gemäß der Erfindung über die Erfassung des erwähnten Laufunruhemaßes ist sehr genau, wobei bei Motoren (Stationärmotoren), die mit konstanter Drehzahl und Leistung gefahren werden, ein fixer Schwellwert des Komparators zur Bewertung der Steilheit von Drehzahlschwankungen ausreicht. Um auch bei Motoren mit variierender Drehzahl und/oder Leistung immer eine exakte Regelung der Schadstoffe in einem engen Bereich zu erzielen, sieht eine besonders bevor­zugte Ausführungsform der Erfindung vor, daß eine Einrichtung zur Ermittlung eines mittleren Drehzahlwertes und/oder eine Einrichtung zur Ermittlung eines Leistungs­wertes vorgesehen sind (ist), und daß der Komparator der Drehzahl- bzw. Leistungsauswerteinrichtung zumindest einen weiteren Eingang aufweist, über den der Schwellwert, mit dem das gefilterte und differenzierte Drehzahl- bzw. Leistungssignal im Komparator verglichen wird, in Abhängigkeit von der aktuellen mittleren Drehzahl und/oder einem Leistungswert des Motors veränderbar ist. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, daß bei verschiedenen Drehzahlen und/oder Motorleistungen im allgemeinen auch verschiedene Zusammenhänge zwischen Laufruhemaß und Schadstoffkonzentration herrschen, wobei ja letztlich eine Schadstoffregelung erfolgen soll. über die Verstellung des Schwellwertes läßt sich auf einfache Weise die Empfindlichkeit der Drehzahlschwankungsanalyse an die jeweils aktuelle mittlere Drehzahl und/oder Motorleistung anpassen. Dabei reichen vorteilhafterweise grobe Motorleistungs­signale und mittlere Drehzahlsignale zur Schwellwert­verstellung aus, um eine exakte Schadstoffregelung zu erzielen.
  • Die aktuelle mittlere Drehzahl entspricht im wesentlichen der Drehzahl des Motors ohne die aufgeprägten Drehzahl­schwankungen. Die aktuelle mittlere Drehzahl kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, daß ein Tief­paßfilter vorgesehen ist,der von der Drehzahl- bzw. Leistungserfassungseinrichtung das Drehzahl- bzw. Leistungssignal empfängt und dessen Ausgang ein die aktuelle mittlere Drehzahl bzw. Leistung angebendes Signal liefert.
  • Eine besonders genaue Schadstoffregelung über den gesamten Drehzahl- und/oder Lastbereich (Leistungs­bereich) ist mit einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung möglich, bei der die Drehzahlauswerteinrichtung eine elektronische Speichereinrichtung zur Speicherung eines von der mittleren Drehzahl und/oder Motorleistung abhängigen, motorspezifischen Kennfeldes für den genannten Schwell­wert aufweist, gemäß welchem Kennfeld der aktuelle Schwellwert in Abhängigkeit von der aktuellen mittleren Drehzahl und/oder aktuellen Motorleistung vorzugsweise mikroprozessorgestützt ermittelbar ist. Das Kennfeld wird für einen bestimmten Motortyp im Vorversuch ermittelt, indem der Motor beispielsweise gemäß einem vorbestimmten Raster bei verschiedenen Leistungen und/oder Drehzahlen betrieben wird und jeweils die Schadstoffkonzentration und die Lauf­unruhen ermittelt werden. Der nun für diesen Motortyp bekannte Zusammenhang Laufunruhe - Schadstoffkonzentration erlaubt es, das Kennfeld, d.h. die Größe des Schwell­wertes, für den Komparator der Drehzahlauswertschaltung in Abhängigkeit von Drehzahl und/oder Leistung zu ermitteln und in die elektronische Speichereinrichtung einzuspeichern. Prinzipiell kann auch ein mehr als zweidimensionales Kennfeld vorgesehen sein, das neben Drehzahl und Leistung auch andere Größen wie Gasart, Zündzeitpunkt etc. beinhaltet.
  • Ein derartiges Kennfeld stellt den Idealfall hinsichtlich der Berücksichtigung von verschiedenen Leistungen und Drehzahlen dar.
  • Bei einfacheren Ausführungsformen kann eine Anpassung des Schwellwertes an die aktuelle Leistung dadurch erfolgen, daß ein Leistungssignal über eine vorzugsweise im wesentlichen lineare Verstärkereinheit einem Schwell­werteingang des Komparators zugeführt ist. Auf ähnliche Weise kann der mittlere Drehzahlwert über einen Verstärker (gegebenenfalls nichtlinear) einem Schwellerteingang des Komparators zugeführt werden.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung der Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen die Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Beispieles der Verwendung der erfindungsgemäßen Regel­einrichtung bei einem stationären, im Magerbetrieb be­triebenen Gasmotor, und die Fig. 2 ein Blockschaltbild des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispieles der er­findungsgemäßen Einrichtung, die eine Drehzahlanalyse vornimmt.
  • Der in Fig. 1 dargestellte stationäre Gasmotor 1 wird über einen Abgasturoblader 2, eine Drosselklappe 3 und einen Ladeluftkühler 4 mit einem Gas-Luft-Gemisch versorgt, das der Gasmischer 5 bereitet. Die Gaszufuhr­leitung ist mit 6 bezeichnet, die Luftzufuhrleitung mit 7 und die Abgasleitung mit 11. Zur Einstellung des Ver­brennungs-Luftverhältnisses λ ist eine Luftbypassleitung 8 vorgesehen, in der ein über einen Stellmotor 9 verstell­bares Stellventil 10 angeordnet ist. Die wesentlichen Bestandteile eines Ausführungsbeispieles der erfindungs­gemäßen Einrichtung zur Schadstoffregelung sind in der insgesamt mit 12 bezeichneten Einheit zusammengefaßt. Diese Einheit empfängt ein vom Drehzahlaufnehmer 13 erfaßtes Drehzahlsignal n und ein als grobes Maß für die Motorleistung dienendes Drucksignal p, das vom Druck­messer 14 aufgenommen wird. Durch eine im folgenden noch näher beschriebene drehzahl- und leistungsabhängige Analyse von Drehzahlschwankungen (Laufunruhe) und einen Vergleich des so ermittelten drehzahl- und leistungs­abhängigen Laufunruhemaßes mit einem über die Leistung 15 einstellbaren Sollwert wird über die Regelung des Verbrennungs-Luftverhältnisses λ die Laufunruhe des Motors (in einem Abstand von der sogenannten Aussetzer­grenze) und damit letztlich die Schadstoffkonzentration (insbesondere NOx-Konzentration) geregelt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Regelein­richtung, die eine Drehzahlanalyse zur Ermittlung eines Laufunruhemaßes vornimmt, ist in Fig. 2 im Block­schaltbild dargestellt.
  • Die in Fig. 2 gezeigte Einrichtung weist folgende mit strichlierten Linien umgebene Baugruppen auf: eine Drehzahlerfassungseinrichtung 16, die auf Leitung 17 ein analoges Drehzahlsignal liefert, eine Einrichtung 18 zur Ermittlung eines mit der mittleren aktuellen Drehzahl korrellierten Drehzahlsignales (auf Leitung 19), eine Einrichtung 20 zur Erfassung und Ermittlung eines mit der aktuellen Motorleistung korrellierten Leistungssignales (auf Leitung 21) und die eigentliche Drehzahlauswert­schaltung 22, die das Drehzahlsignal auf Leitung 17 (in Abhängigkeit von den Signalen auf den Leitungen 19 und 21) analysiert und als Ausgangssignal (auf Leitung 23) ein bereits in Abhängigkeit von der aktuellen mittleren Drehzahl und aktuellen Leistung bewertetes Laufunruhemaß abgibt, welches in der Vergleichseinrichtung 24 mit einem auf Leitung 15 anstehenden Sollwert verglichen wird. In Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis wird das Gemisch für den Motor 1 über den Stellmotor 9 magerer oder fetter gestellt, womit die Laufruhe und letztlich die Schadstoffkonzentration in vobestimmten Grenzen geregelt wird.
  • Der Drehzahlaufnehmer 13 erfaßt laufend die Drehzahlen des Motors. Die Frequenz des Aufnahmesignales wird im Frequenz-Spannungswandler 34 in das analoge Drehzahlsignal auf Leitung 17 gewandelt. In der Drehzahlauswertschaltung 22 läuft dieses Drehzahlsignal zunächst eingangsseitig über ein erfindungsgemäß vorgesehenes Hochpaßfilter 24, dessen Grenzfrequenz bei etwa 8 Hz liegt. Dieses als aktiver Filter aufgebaute Hochpaßfilter 24 eliminiert den Gleichspannungsanteil und verhindert, daß relativ langsame Drehzahlveränderungen von außen als Laufunruhen interpretiert werden. Das folgende Differenzierglied 25 differenziert das gefilterte Drehzahlsignal. Die Größe des Ausgangssignales des Differenziergliedes 25 mißt also die Veränderungen (Ableitung) des Drehzahlsignales. Dieses Ausgangssignal gelangt nun an den erfindungsgemäß vorgesehenen Komparator 26, dessen Ausgang 26a mit einem digitalen Zähler 27 verbunden ist und der das gefilterte und differenzierte Drehzahlsignal mit einem Schwellwert vergleicht und bei Unter-bzw. überschreiten desselben den Zählerstand des Zählers 27 verändert. Ein Zeitgeber 28 legt die Dauer tm der Meßperioden fest, während der die Ausgangsimpulse gezählt werden, die von Schwankungen (Einbrüchen) des Drehzahlsignales und einer einen bestimmten Wert überschreitenden Steilheit herrühen. Der Zählerstand am Ende jeder beispielsweise etwa 3 Sekunden dauernden Meß­periode bildet das Ausgangssignal (Laufunruhemaß) der Drehzahlauswerteinrichtung 22. Im Ausgangsspeicher 27a des Zählers 27 bleibt dieses Ausgangssignal günstigerweise bis zum Ende der folgenden Meßperiode gespeichert, während der Zähler selbst über einen Reseteingang 27b periodisch zu Beginn jeder Meßperiode auf Null gesetzt wird.
  • Der Schwellwert, ab dem eine Drehzahlschwankung (genauer: deren Steigung) als relevant erachtet wird, ab dem also ein Hochzählen des Zählers 27 erfolgt, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Abhängigkeit von der aktuellen mittleren Drehzahl und der aktuellen Motorleistung verstellbar, um dem Umstand Rechnung zu tragen, daß bei verschiedenen Drehzahlen und Leistungen im allgemeinen auch verschiedene Laufunruhen mit der­selben Schadstoffemission korrelliert sind und letztlich ja eine exakte Schadstoffregelung über alle Drehzahlen und Leistungen erwünscht ist.
  • Zur Berücksichtigung der Abhängigkeit des Schwellwertes von der mittleren Drehzahl (d.h. der Drehzahl ohne die aufgeprägten Schwankungen) weist die Einrichtung 18 ein Tiefpaßfilter 29 mit einer Grenzfrequenz von etwa 1 Hz auf, dessen Ausgangssignal über eine gegebenen­falls nichtlineare Verstärkereinheit 30 einem Schwell­werteingang 26b des Komparators 26 zugeführt ist.
  • Als grobes Maß für die Motorleistung ist der Gemisch­druck p herangezogen, den der Druckmesser 14 aufnimmt. Über zwei Wandler 31 und 32 und eine im wesentlichen lineare Verstärkereinheit 33 gelangt das Leistungssignal an einen weiteren Schwellwerteingang 26c des Komparators 26.
  • Im Komparator 26 erfolgt also eine drehzahl- und leistungs­abhängige Bewertung von Drehzahlschwankungen.
  • Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbei­spiel beschränkt. Beispielsweise kann der Komparator 26 nur einen Schwellwerteingang aufweisen, über den er den aktuellen drehzahl- und leistungsabhängigen Schwellwert empfängt. Dieser Schwellwert kann beispielsweise in einer mikroprozessorgestützten Schwellwertermittlungsschaltung anhand eines gespeicherten, in Vorversuchen ermittelten, motorspezifischen Kennfeldes (Schwellwert über mittlerer Drehzahl und Leistung) bestimmt werden. Das genannte Kennfeld läßt sich aus einer Untersuchung des Zusammenhanges zwischen Schadstoffemissionen, die ja letztlich geregelt werden sollen, und den Drehzahlschwankungen bei ver­schiedenen mittlereren Drehzahlen und Leistungen gewinnen.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf stationäre Gasmotoren beschränkt.
  • Anstatt der oben diskutierten Analyse der Drehzahl kann auch ein Leistungssignal analysiert werden, sofern es die Laufunruhen mit ausreichender Genauigkeit wiedergibt.

Claims (13)

1. Einrichtung zur Regelung des Verbrennungs-Luftver­hältnisses einer im Magerbetrieb betriebenen Brenn­kraftmaschine in Abhängigkeit von Drehzahlschwankungen oder Leistungsschwankungen derselben, mit einer Dreh­zahl- bzw. Leistungserfassungseinrichtung, die ein der drehzahl bzw. Leistung des Motors entsprechendes, analoges, elektrisches Drehzahl- bzw. Leistungssignal liefert, mit einer der Drehzahl- bzw. Leistungs­erfassungseinrichtung nachgeschalteten und mindestens ein Filter, ein Differenzierglied und einen Komparator enthaltenden Drehzahl- bzw. Leistungsauswerteinrichtung, an deren Ausgang ein mit der Ableitung des Drehzahl- bzw. Leistungssignales verknüpftes Ausgangssignal bereitsteht, und mit einer Vergleichseinrichtung, die dieses Ausgangssignal mit einem vorzugsweise einstell­baren Sollwert vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis das Verbrennungs-luftverhältnis über eine Stelleinrichtung regelt, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Drehzahl- bzw. Leistungsauswertein­richtung (22) ein vor dem Differenzierglied (25) angeordnetes Hochpaßfilter (24) aufweist und daß der Ausgang (26a) des dem Differenzierglied (25) nachge­schalteten Komparators (26) mit einem Zähler (27) verbunden ist, wobei der Komparator (26) das gefilterte und differenzierte Drehzahl- bzw. Leistungssignal mit einem Schwellwert vergleicht und bei Unter- bzw. Über­schreiten desselben den Zählerstand des Zählers (27) innerhalb einer von einem Zeitgeber (28) vorgegebenen Meßperiode verändert, wobei das Ausgangssignal der Drehzahl- bzw. Leistungsauswerteinrichtung (22) dem vorzugsweise am Ende jeder Meßperiode vorhandenen Zählerstand entspricht.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (29) zur Ermittlung eines mittleren Drehzahlwertes und/oder eine Einrichtung (20) zur Er­mittlung eines Leistungswertes vorgesehen sind (ist), und daß der Komparator (26) der Drehzahl- bzw. Leistungsauswerteinrichtung (22) zumindest einen weiteren Eingang (26b,26c) aufweist, über den der Schwellwert, mit dem das gefilterte und differenzierte Drehzahl- bzw. Leistungssignal im Komparator (26) verglichen wird, in Abhängigkeit von der aktuellen mittleren Drehzahl und/oder einem Leistungswert des Motors (1) veränderbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tiefpaßfilter (29) vorgesehen ist, das von der Dreh­zahl- bzw. Leistungserfassungseinrichtung (16) das Drehzahl- bzw. Leistungssignal empfängt und dessen Ausgang ein die aktuelle mittlere Drehzahl bzw. Leistung angebendes Signal liefert.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Tiefpaßfilter (29) stammende Signal über eine gegebenenfalls auch nichtlineare Verstärkereinheit (30) einem Schwellwerteingang (26b) des Komparators (26) zugeführt ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leistungssignal über eine vorzugsweise im wesentlichen lineare Verstärkereinheit (33) einem Schwellwerteingang (26c) des Komparators (26) zugeführt ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl- bzw. Leistungsauswerteinrichtung eine elektronische Speichereinrichtung zur Speicherung eines von der mittleren Drehzahl und/oder Motorleistung ab­hängigen motorspezifischen Kennfeldes für den genannten Schwellwert aufweist, gemäß welchem Kennfeld der aktuelle Schwellwert in Abhängigkeit von der aktuellen mittleren Drehzahl und/oder aktuellen Motorleistung vorzugsweise mikroprozessorgestützt ermittelbar ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für die Motorleistung der im Einlaßbereich des Motors (1) herrschende Gemisch­druck (p) unter Berücksichtigung der vorliegenden Drehzahl (n) herangezogen wird.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (27) einen Ausgangs­speicher (27a) aufweist, in dem der am Ende der vom Zeitgeber (28) vorgegebenen Meßperiode vorhandene Zählerstand vorzugsweise vis zum Ende der nächsten Meßperiode gespeichert bleibt.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (27) einen mit dem Zeit­geber (28) verbundenen Reseteingang (27b) aufweist, über den der Zeitgeber den Zählerstand in periodischen Abständen auf einen vorbestimmten Wert, vorzugsweise Null, setzt.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer (tm) der vom Zeitgeber (28) vorgegebenen Meßperiode einstellbar ist und größen­ordnungsmäßig im Bereich von 1 Sekunde bis 10 Sekunden liegt.
11. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gegennzeichnet, daß das Hochpaßfilter (24) und/oder das Tiefpaßfilter (29) der Drehzahlauswerteinrichtung (22) als aktive Filter aufgebaut sind.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz des Hochpaßfilters (24) größenordnungsmäßig bei 10 Hz, vorzugsweise bei etwa 8 Hz, liegt.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, eine Vergleichseinrichtung vorgesehen ist, die den Zählerstand des Zählers (27) laufend mit einem vorgegebenen Wert vergleicht und die bei über- bzw. Unterschreiten dieses Wertes die Stelleinrichtung (9,10) unabhängig von der Meßperiode zu einer sofortigen Erniedrigung des Verbrennungs-Luftverhältnisses (Anfettung) veranlaßt.
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