DE2229928C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von Brennkraftmaschinen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von BrennkraftmaschinenInfo
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Description
60
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von
Brennkraftmaschinen, insbesondere von Brennkraftmaschinen mit elektronisch gesteuerter Kraftstoff-Einspritzung, durch Regelung des Massenverhältnisses des
der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-
Gemisches (Α-Regelung) mit Hilfe einer im Abgasstrom
der Brennkraftmaschine angeordneten Abgas-Meßsonde, die eine Integriereinrichtung ansteuert, wobei das
Ausgangssignal der Abgas-Meßsonde an einen Schwellwertschalter angelegt wird und diesen bei Erreichen des
Schwellwertes umschaltet und daß mit dem Umschalten des Schwellwertschalters die Integrationsrichtung der
Integriereinrichtung geändert wird
Ausgehend von einem derartigen Verfahren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur
Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches weiter zu verbessern und Trägheiten des Regelsystems zu
vermindern. Außerdcn soll bei dem Verfahren die veränderlichen Totzeiten im Regelkreis, die durch den
Weg des Kraftstoff-Luft-Gemisches vom Einlaßventil zum Auslaßventil und durch den Weg des Abgases vom
Auslaßventil bis zu der im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine angeordneten Abgas-Meßsonde bedingt
sind, berücksichtigt werden. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in Abhängigkeit von
wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, insbesondere in Abhängigkeit von der
Ansaugluftmenge der Brennkraftmaschine, die Zeitkonstante der Integriereinrichtung geändert wird.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
zu entwickeln. Diese Vorrichtung soll einfach und preisgünstig in ihrem Aufbau sein und auch unter den
rauhen Betriebsbedingungen in einem Kraftfahrzeug einwandfrei und sicher arbeiten. Außerdem sollen die
einzelnen Baugruppen der Regeleinrichtung mit möglichst geringer Totzeit arbeiten, so daß Trägheiten der
Regeleinrichtung weitgehend vermieden werden sollen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Ausgang des Schwellwertschalters mit
einer Schalteinrichtung verbunden ist, die an einen Eingang der Integriereinrichtung angeschlossen ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in
Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und
aus den zugehörigen Zeichnungen. Es zeigt
Fig. I in einem Diagramm den Verlauf der Sondenspannun? über der Zeit ι und das dazugehörige
Ausgangssignal,. ■. η Ausgang des Regel Verstärkers.
Fig. 3 einen Stromlaufplan einer Einrichtung zur Regelung der Luftfahl A.
In F i g. 1 ist der mögliche Verlauf der Ausgangsspannung einer im Auspuffsystem einer weiter nicht
dargestellten Brennkraftmaschine angeordneten Abgas-Meßsonde über der Zeit t aufgezeichnet. Aus
diesem Kurvenverlauf ist zu erkennen, daß bei Änderung der Luftzahl λ um den Wert A = I das
Ausgangssignal der Sonde rasch zwischen zwei Endwerten wechselt. Dabei ist die Luftzahl A so
definiert, daß bei stöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Gemisch λ den Wert 1.0 annimmt. Die Luftzahl λ gibt
das Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff an. Bei magerem Gemisch ist die Lufuahl größer als I1Q und bei
fettem Gemisch kleiner als 1,0. Wird nun, wie in Fig. 1 angedeutet, die Luftzahl A um einen relativ großen Wert
verändert, wie es beispielsweise bei der Beschleunigung von Brennkraftmaschinen der Fall sein kann, dann bleibt
das Ausgangssignal der Abgas-Meßsonde über eine längere Zeit konstant auf einem Endwert. Unter diesem
Verlauf der Sondenspannung über der Zeit t ist das Ausgangssignal an einem Regelverstärker dargestellt
Dieser Regelverstärker weist Integralverhalten auf. Bei
jedem Nulldurchgang der Sondenspannung wird die Integrationsrichtung des Regelverstärkers geändert, so
daß die Luftzahl Λ immer in Richtung auf eine Luftzahl A=I verstellt wird. Dies geschieht dadurch, daß durch ϊ
eine geeignete Zündeinrichtung das Massenverhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches
verändert wird. Bleibt dagegen, wie in F i g. 1 bei a angedeutet, die Sondenspannung längere
Zeit auf einem gleichen Endwert, dann würde es sehr lange dauern, bis die Luftzahl λ wieder auf den Wert
λ = 1 eingeregelt wird. Das Ausgangssignal des Reglers ist für diesen Fall bei b angedeutet
Wenn sich nun bei starker Beschleunigung der Brennkraftmaschine die durch das Ansaugrohr der
Brennkraftmaschine strömende Luftmenge stark ändert, dann kann man mit einem diese Änderung
charakterisierenden elektrischen Signal die Zeitkonstante des Regelverstärkers ändern, so daß die Luftzahl
λ schneller auf den gewünschten Wert nachgeregelt wird. Der Verlauf des Ausgangssignals des KegeWerstärkers
für diesen Fall ist in F i g. 1 bei c angedeutet. Daraus ist ersichtlich, daß der Endwert, bei dem die
Sondenspannung wieder ein der Luftzahl λ = 1 entsprechendes Signal liefert zu einem wesentlich
früheren Zeitpunkt erreicht wird. Damit kann durch Änderung der Zeitkonstante des Regelverstärkers in
Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine und der dadurch ausgelösten
Änderung der Zeitkonstanie des Regelverstärkers die
Nachregelung der Luftzahl A auf einen gewünschten Wert entsprechend schneller gemacht wurden.
In F i g. 2 ist in Blockdarstellung eine Vorrichtung
gezeigt, mit der die Zeitkonstante eines Regelverstärkers 10 geändert werden kann. Dieser Regelverstärker
10 weist Integralverhalten auf und betätigt ein Stellglied, das zur Beeinflussung des Massenverhältnisses
des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches dient Das Stellglied kann dabei in
einem einfachen Fall eine Steuerklappe in einem Bypaß
zu dem Ansaugrohr der weiter nicht dargestellten Brennkraftmaschine sein, wobei je nach Steüung dieser
Steuerklappe der Brennkraftmaschine mehr oder weniger Luft zugeführt wird. Das Massenverhältnis des
Kraftstoff-Luft-Gemisches kann auch durch Veränderung der Kraftstoffmenge beeinflußt werden. Bei einer
elektronisch gesteuerten Benzineinspritzung ist zur Zumessung der Kraftstoffmenge ein monosiabiler
Multivibrator vorgesehen, der über die Dauer des instabilen Schaltzustandes die einzuspritzende Kraftstoffmenge
bestimmt. Im einfachsten Fall kann bei einer derartigen Anordnung ein Widerstand als Stellglied
vorgesehen sein, der in der Steuereinrichtung eingreift und beispielsweise die Dauer des instabilen Schaltzustandes
des Multivibrators beeinflußt.
Mit dem Eingang des Regelverstärkers 10 ist über eine direkte Leitung eine Schalteinrichtung 11 verbunden,
wobei außerdem eine Leitung von der Schalteinrichtung 11 über einen 1 :1-Umkehrverstärker 12 zu
dem Eingang des Regelverstärkers 10 führt= Mit dem so
Eingang der Schalteinrichtung 11 ist wenigstens ein Meßfühler 13 verbunden, der ein wenigstens einen
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine charakterisierendes elektrisches Signal liefert. Die Schalteinrichtung
11 wird in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal einer Abgas-Meßsonde 14 betätigt, die über einen
Verstärker 15 und einen Schwellwertschalter 16 mit der
Schalteinrichtung 11 verbunden ist.
Ein Stromlaufplan der in F i g. 2 in Blockdarstellung gezeigten Vorrichtung ist in Fig.3 dargestellt Der
Regelverstärker 10 weist dabei einen Operationsverstärker 17 auf, zwischen dessen Ausgang und dessen
invertierenden Eingang ein Integrierkondensator 18 geschaltet ist Außerdem ist mit dem Ausgang des
Operationsverstärkers 17 ein Widerstand 19 verbunden. Dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
17 ist ein Eingangswiderstand 20 vorgeschaltet und mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers
17 ist ein Widerstand 21 verbunden, der an den Abgriff eines aus Widerständen 22 und 23 bestehenden
Spannungsteilers angeschlossen ist Dieser Spannungsteiler aus den Widerständen 22 und 23 ist zwischen eine
gemeinsame Versorgungsleitung 24 und eine gemeinsame Versorgungsleitung 25, in diesem Fall eine
Masseleitung, geschaltet
Über den Eingangswiderstand 20 ist die Schalteinrichtung ti mit dem invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 17 verbünde: üie Schalteinrichtung
weist einen I : i-Umkehrverstärtcer 26 auf, dessen
Ausgang mit dem Emitter eines Transistors 27 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 27 ist mit
dem Eingangswiderstand 20 verbunden. Ebenfalls mit dem F; igangswiderstand 20 ist der Kollektor eines
Transistors 28 verbunden, dessen Emitter mit dem Eingang des Umkehrverstärkers 26 verbunden ist. Die
Basen der beiden Transistoren 27 und 28 sind über Basisvorwiderstände 29 und 30 mit der;) Ausgang eines
Operationsverstärkers 31 verbunden, der zusammen mit einem Rückkopplungswiderstand 32 und einem Ausgangswiderstand
33, sowie Eingangswiderständen 34 und 35 den Schwellwertschalter 16 bildet Der Eingangswiderstand 35 ist dabei mit c ;m invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 31 und der Eingangswiderstand 34 mit dem n.chtinvertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 31 verbunden. Der Eingangswiderstand 34 ist weiterhin an den Abgriff
eines aus Widerständen 36 und 37 bestehenden Spannungsteiler angeschlossen, der einerseits mit der
Versorgungsleitung 24 und andererseits mit der Versorgungsleitung 25 verbunden ist. Über den
Eingangswiderstand 35 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 31 ein Verstärker 38
verbunden, der mit der Abgas-Meßsonde 14, die zweckmäßigerweise eine Sauerstoff-Meßsonde ist.
verbunden. Der zweite Anschluß der Sauerstoff-Meßsonde 14 ist mit der Masseleitung 25 verbunden.
An den Eingang des I : I-Umkehrverstärkers 26 der Schalteinrichtung 11 wird nun ein Signal angelegt, das
die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge oder beispielsweise die Drehzahl der Brennkraftmaschine
oder wenigstens einen anderen Parameter der Brennkraftmaschine kennzeichnet. Mit dem Ausgang des
Operationsverstärkers 17. d. h. mit der Ausgangsklemme 39 ist ein Stellglied zur Vei änderung des
Massenverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches verbunden.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltanordnung ist folgende, Es sei zunächst angenommen, daß das
der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch zu mager sei, dies bedeutet, daß der Brennkraftmaschine
zu viel Luft zugeführt wird. In diesem Fall gibt die Abgas-Meßsonde 14 eine niedrige Ausgangsspannung
ab. Diese wird von dem Verstärker 38 verstärkt. Die verstärkte Ausgangsspannung des Verstärkers 38
ist in diesem Fall niedriger als die Spannung am Verbindungspunkt der Widerstände 36 und 37. Da der
Operationsverstärker 31 des Schwellwertschalters 16 über den invertierenden Eingang angesteuert wird,
nimmt in diesem Fall die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 31 nahezu den Spannungswert
der gemeinsamen Zuleitung 24 an. Diese Ausgangsspaniiiing
ist demnach positiv und steuert über den Widerstand 30 den Transistor 28 der Schalteinrichtung
11 in den leitenden Zustand. Ein positives Signal, das die
der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge kennzeichnet, wird nunmehr über den Transistor 28 auf den
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 übertragen. Der Integralverhalten aufweisende Regelverstärker
10 integriert demzufolge in negativer Richtung. Entsprechend wird auch das Stellglied so
beeinflußt, daß die Luftmenge, die der Brennkraftmaschine
zugeführt wird, verringert wird.
Ist nun das Stellglied genügend weit verstellt, so daß die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge oder
verminderte Benzinmen^s zur Unterschreit|jnor des
gewünschten Α-Wertes geführt hat, steigt die Ausgangsspannung der Abgas-Meßsonde 24 entsprechend dem
Kurvenzug in Fig. I stark an. Deshalb überschreitet auch das Ausgangssignal des Verstärkers 38 das
Potential am Verbindungspunkt der Widerstände 36 und 37, so daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers
31 negativ wird. Durch dieses negative Signal wird der bisher leitende Transistor 28 gesperrt, während
der bisher gesperrte Transistor 27, der vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie der Transistor 28 ist,
leitend wird. Der Umkehrverstärker 26, der eine Verstärkung von ν - — 1 aufweist, wird deshalb das
Eingangssignal des Umkehrverstärkers umkehren. Dieses invertierte Signal wird über den Transistor 27 und
den Eingangswiderstand 20 dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 des Regelverstärkers
10 zugeführt. Da dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 demzufolge eine negative
Eingangsspannung zugeführt wird, integriert er in positiver Richtung. Über das Stellglied wird deshalb die
der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge nun wieder vergrößert oder Benzinmenge verkleinert. Wie
aus der vorstehenden Beschreibung des Stromlaufplanes nach hig. J hervorgeht, bestimmt die Ausgangsspannung
der Abgas-Meßsonde 14 über den Schwellwertschalter 16 nur die Richtung, in welcher sich die
Ausgangsspannung des Regelverstärkers 10 langsam verschiebt. Dagegen bestimmt das wenigstens einem
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine bestimmende Eingangssignal des Umkehrverstärkers 26 die
Geschwindigkeit, mil der sich die Ausgangsspannung des Regelverstärkers IO ändert. Wenn also der
Brennkraftmaschine eine große l.uftmenge zugeführt - wird, dann liegt am Eingang des Regelvcrstärkcrs eine
große positive oder negative Eingangsspannung an. so daß sich das Ausgangssignal des Operationsverstärkers
17 schnell in negativer bzw. positiver Richtung verschiebt. Diese Verschiebung geschieht wesentlich
if) langsamer wenn die der Brennkraftmaschine zugeführte
Luftmenge nur wenig geöffnet ist und wenn demzufolge nur eine niedrige Eingangsspannung am invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers anliegt. Damit wird in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter der
■'· Brennkraftmaschine die Nachregelung der Luft/.ahl A
auf schnelle Art und ohne wesentliche Verzögerungen erreicht.
Besonders zweckmäßig ist eine derartige Einrichtung bei Br?nnkr3ftrn?^chinpn. Hip mil piekironisch ppslp.iier-
-1Ii ter Benzineinspritzung arbeiten. Bei diesen Kraftstoffeinspritzeinrichtungen,
die wenigstens ein elektromagnetisch betätigbares Einspritzventil aufweisen, von
denen je eines einem Zylinder der Brennkraftmaschine
zugeordnet ist, wird das Einspritzventil geöffnet und für
-'■■' eine die jeweilige Einspritzmenge bestimmende Zeitdauer
geöffnet gehalten. Die Öffnungszeit wird dabei durcli einen Energiespeicher bestimmt, der mit einem
Luftm rngenmesser zusammenarbeitet, wobei eine in der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine angeordne-
Jn te Stauscheibe vorgesehen ist, die entgegen einer
Rückstellkraft durch den Ansaugluftstrom verstellbar ist, und die Mittel aufweist, mi', denen der von diesem
Luftmengenmesser erfaßte zeitliche Mittelwert der Ansaugluftmenge in eine zu der pro Hub entfallenden
!> Luftmenge proportionale an dem elektrischen Energiespeicher
auftretende elektrische Größe umgewandelt wird. Bei diesen Einrichtungen wird also die Einspritzdauer
in Abhängigkeit von der der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmenge beeinflußt. Da nun der Luftmengenmesser
ohnehin ein Signal liefert, das in der Steuereinrichtung für die Kraftstoffeinspritzung beeinflußt
wird, ist es zweckmäßig, dieses Signal auch bei der in dieser Anmeldung Descnriebenen Anordnung zu
verwenden, d. h. es dem Umkehrverstärker 26 zuzuführen. Somit ist für die Erfassung eines geeigneten
Betriebsparameters kein zusätzlicher Aufwand erforderlich.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Brennkraftmaschinen mit ">
elektronisch gesteuerter Kraftstoff-Einspritzung, durch Regelung des Massenverhältnisses des der
Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches (Α-Regelung) mit Hilfe einer im Abgasstrom der Brennkraftmaschine angeordneten Ab-
gas-Meßsonde, die eine Integriereinrichtung ansteuert, wobei das Ausgangssignal der Abgas-Meßsonde an einen Schwellwertschalter angelegt wird
und diesen bei Erreichen des Schwellwertes umschaltet und daß mit dem Umschalten des ·'·
Schwellwertschalters die Integrationsrichtung der Integriereinrichtung geändert wird, dadurch
gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, insbesondere in Abhängigkeit von
der Ansaugluftmenge der Brennkraftmaschine, die Zeitkonstante der Integriereinrichtung (10) geändert
wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ^
Ausgang des Schwellwertschalters (16) mit einer Schalteinrichtung (11) verbunden ist, die an einen
Eingang der Integriereinrichtung (10) angeschlossen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Jo
Zeichnet, «.aß an die Schalteinrichtung (U) ein
wenigstens einen Betriebsrarameter der Brennkraftmaschine kennzeichnendes elektrisches Signal
angelegt ist
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, ^
dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (11) zwei Strompfade aufweist, die in Abhängigkeit
vom Ausgangssignal des Schwellwertschalters (16) wechselweise an den einen Eingang der Integriereinrichtung (10) angeschlossen sind, wobei über den
einen Strompfad das wenigstens einen Betriebsparatneter kennzeichnende elektrische Signal direkt l.x)
über den anderen Strompfad mit umgekehrtem Vorzeichen an den Eingang der Integriereinrichtung
flO) angelegt ist. 4^
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang des
Schwellwertschalters (16) die Steuerelektroden von üwei Schalttransistoren (27, 28) verbunden sind,
deren Ausgangselektroden mit dem Eingang der so Integriereinrichtung (10) verbunden sind, wobei an
die dritte Elektrode des einen Schalttransistors (28) das wenigstens einen Betriebsparameter kennzeichnende elektrische Signal und an die dritte Elektrode
des anderen Schalttransistors (27) das mit Hilfe eines M Umkehrverstärkers (26) invertierte, wenigstens
einen Betriebsparameter kennzeichnende elektrische Signal angelegt ist.
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