DE2422938A1

DE2422938A1 - Schalteinrichtung zur geregelten zugabe von zusatzluft zum abgas einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2422938A1
Application number: DE2422938A
Authority: DE
Inventors: Harald Ing Grad Kizler; Peter Juergen Dipl Ing Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1974-05-11
Filing date: 1974-05-11
Publication date: 1975-11-20
Also published as: DE2422938C2; GB1513924A; FR2279938B1; US4024707A; JPS5831444B2; FR2279938A1; JPS50154613A

Description

R. 2064

7. 3. 1974 Ka/Do

Anlage zur
Patentanmeldung

Robert Bosch GmbH-, 7 Stuttgart 1

Schalteinrichtung zur geregelten Zugabe von Zusatzluft zum Abgas einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zur geregelten Zugabe von Zusatzluft zum Abgas einer Brennkraftmaschine mit einer Abgas-Nachverbrennungseinrichtung im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine und einem im Auspuffsystem angeordneten Sauerstoff-Fühler zur Ermittlung der Zusammensetzung des Abgases .

Es ist bei Abgasentgiftungsanlagen für Brennkraftmaschinen bekannt, die im Abgas enthaltenen schädlichen Anteile, wie Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (C H) und Stick-

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oxide (NO ) mit Hilfe von thermisch und/oder katalytisch wirkenden Reaktoren in unschädliche chemische Verbindungen umzuwandeln. Da eine Brennkraftmaschine mit wechselnder Leistung betrieben wird, ändert sich auch die Zusammensetzung der Abgase. Dadurch wird die Nachbehandlung in den thermischen und/oder katalytischen Reaktoren gestört, da der Sauerstoffanteil im Abgas einmal zu groß und das andere mal zu gering ist. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es bekannt, die'Brennkraftmaschine mit Luftmangel ( λ > 1) zu betreiben und die für die Behandlung in den Abgasnachbehandlungseinrichtungen erforderliche Verbrennungsluft durch eine motorisch betriebene Luftpumpe zuzuführen (DT-OS 2 o35 591).

Es ist auch bekannt, die Zugabe zusät5;licher Luft in Abhängigkeit Vom Saugrohrdruck und der Drehzahl der Brennkraftmaschine zu steuern, und diesem Steuerkreis einen Regelkreis zu überlagern, der eine Feinregelung der zugegebenen Zusatzluftmenge in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgases bewirkt (DT-AS 2 ?5^ 96l).

Ausgehend von diesen bekannten Einrichtungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schalteinrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe eine exakte Regelung der Zusatzluft in Abhängigkeit von der Abgas zusammensetzung möglich ist. Die Schalteinrichtung soll dabei möglichst einfach und kostensparend im Aufbau sein, und unter den rauhen Betriebsbedingungen in einem Kraftfahrzeug zuverlässig arbeiten. Außerdem soll die elektrische Schalteinrichtung die Eigenschaft haben, während der Anwärmphase der Brennkraftmaschine, in der der Sauerstoff-Fühler im Abgas der Brennkraftmaschine noch kein eindeutiges Aus gangssignal liefert, für die maximale ZusatζIuftmenge zu sorgen. Schließlich soll mit der elektrischen Schalteinrichtung auch dafür

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gesorgt werden, daß bei einem Kurzschluß oder Leitungsbruch in ihrem den Säuerstoff-Fühler aufweisenden Eingangskreis die maximale Zusatζluftmenge zu dem Abgas zugegeben wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Sauerstoff-Fühler mit einem Schwellwertschalter verbunden ist, welcher einen ersten Schalttransistor umschaltet, der in Abhängigkeit von seinem Schaltzustand insbesondere über eine Verstärkerendstufe die Arbeitswicklung eines Ventiles ansteuert, c"as in an sich bekannter Weise die dem Abgas zugegebene Zusatzluftmenge vergrößert bzw. verringert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der zugehörigen Beschreibung eines Ausführungsbeispieles und aus den zugehörigen Zeichnungen.

Es zeigt:

Fig. 1: Die schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung für Zusatzluft zum Abgas und ainer der Steuereinrichtung überlagerte Regeleinrichtung zur Feinregulierung der Zusatzluftzugabe ,

Fig. 2: eine elektrische Schalteinrichtung zur Regelung der Zusatzluftzugabe und

Fig.3: ein Diagramm, in dem die Ausgangsspannung eines Sauerstoff-Fühlers über der Luftzahl λ aufgetragen ist.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine Io dargestellt, die über ein Ansaugrohr 11 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch ansaugt, das beispielsweise von einem weiter nicht dargestellten Vergaser aufbereitet werden kann. Die Brennkraftmaschine Io treibt über eine bei 12 angedeutete Verbindung eine Luftpumpe 13 an. Die Luftpumpe fördert Luft zu einer Regeleinrichtung 1.4, wobei die Luftmenge abhängig von der Drehzahl der Brenn-

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kraftmaschine ist. Das Abgas der Brennkraftmaschine Io wird über eine Abgassammelleitung 15 einem thermischen und/oder katalytischen Reaktor zugeführt, von denen einer schematisch bei 16 angedeutet ist.

^Die Regeleinrichtung weist einen ersten Steuerdruckraum

17 und einen zweiten Steuerdruckraum 18 auf. Zusätzlich ist in der Regeleinrichtung 14 ein erster Druckraum 19 und ein zweiter Druckraum 2o angeordnet. Schließlich hat die Regeleinrichtung 14 noch einen dritten Druckraum.21. In den ersten Steuerdruckraum 17 mündet eine mit dem Saugrohr 11 verbundene erste Druckleitung 22, die ebenfalls Verbindung mit einem als Stellglied dienenden Dreiwegeventil 23 hat. Mit dem zweiten Steuerdruckraum

18 ist eine zweite Druckleitung 24 verbunden, die zu einem Anschluß des Droiwegeventiles 23 führt;. Der dritte Anschluß des Dreiwegeventiles 23 ist mit einer dritten Druckleitung 25 verbunden, welche zu dem dritten Druckraum 21 führt. Ebenfalls zu dem dritten Druckraum 21 führt eine Luftleitung" 26, die an die Abgassammelleitung 15 angeschlossen ist.

Zu dem zweiten Druckraum 2o führt eine Luftzuleitung 26 von der Luftpumpe 13 und von dem ersten Druckraum 19 führt eine Luftrückführungsleitung 27 ins Freie. .

Im Inneren der Regeleinrichtung 14 ist eine Führungsstange 28 angeordnet, an der zwei Dosierkegel 29 und 3o befestigt sind, die öffnungen 31 und 32 in Trennwänden 33 bzw. 34 öffnen und schließen, wobei die Trennwände 33 und 34 die Druckräume 19» 2o und 21 abteilen. Der erste Druckraum ist von dem zweiten Steuerdruckraum 18 durch eine Membran 35 getrennt und der erste Steuerdruckraum 17 und der zweite Steuerdruckraum 18 sind durch eine Membran 36 voneinander getrennt. Diese beiden Membranen sind ebenfalls mit der Führungsstange 28 verbunden. Die Membran 36 stützt sich dabei gegen eine Druckfeder 37 ab.

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Das Dreiwegeventil 23 wird durch eine Schalteinrichtung 38 betätigt, die mit einer Versorgungsspannungsquelle 39 verbunden ist. Die Betätigung des Dreiwegeventiles 23 mit Hilfe der Schalteinrichtung 38 erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgases in der Abgassammelleitung 15j wobei die Zusammensetzung mit Hilfe eines an das Schaltgerät 38 angeschlossenen Säuerstoff-Fühlers ·4ο erfolgt.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende. Der Abgassammelleitung 15 wird in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine und dem Saugrohrunterdruck Zusatzluft zugegeben. Dies geschieht, wie oben schon angedeutet, einerseits dadurch, daß die Luftpumpe 13 mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine Io umläuft, und andererseits dadurch, daß der Saugrohrdruck auf den ersten Steuerdruckraum 17 gegeben ist. Bei hohem Saugrohrdruck entspannt sich die Druckfeder 37 in dem ersten Sr.euerdruckraum und die Pührungsstange mit den Dosierkegeln 29 und 3o wird nach unten verschoben, so daß die öffnung 31 vergrößert und die öffnung 32 verkleinert wird. Dadurch gelangt ein größerer Anteil an Zusatzluft zu der Abgasnachbehandlungseinrichtung 16. Die motordrehzahlabhängige und saugrohrdruckabhängige Beeinflussung der Zusatz luft menge ist eine Steuerung, der eine Regelung überlagert ist. Je nachdem ob über das Dreiwegeventil 23 dem zweiten Steuerdruckraum 18 der Abgasgegendruck, der über die Luftzuleitung 26 und die dritte Druckleitung 25 geführt wird, oder der Saugrohrdruck, der über die erste Druckleitung und über das Dreiwegeventil geführt, zugeführt wird, verschieben sich die Membranen 35 bzw. 36.

Durch diese überlagerte Regelung ist eine äußerst genaue Zumessung der Zusatzluftmenge zum Abgas möglich.

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In Pig. 2 ist die Schalteinrichtung 38 dargestellt, mit deren Hilfe das Dreiwegeventil 23, verstellt werden kann. Durch eine Arbeitswicklung 4l eines Magnets wird eine Klappe 42 so verschwenkt, daß im einen Fall der Saugrohrdruck auf die zweite Druckleitung 24 gelangt und daß im anderen Fall der Abgas gegendruck über die dritte Druckleitung auf die zweite Druckleitung 24 und damit in den zweiten Steuerdruckraum geleitet wird. Die Arbeitswicklung 4l, der ein Kondensator 8o zur Unterdrückung von Abschaltspannungsspitzen parallelgeschaltet ist, liegt in Reihe zu oinem ersten S ehalt trans:) stör 43, der über einen Widerstand 44 mit einer gemeinsamen Pluszuleitung 45 zu der Versorgungsspannungsquelle 39 verbunden ist. Eine zweite Versorgungsleitung 46 führt zum Minuspol der Versorgungsspannungsquelle, an diese Leitung 46 sind die Arbeitswicklung 41 und der Kondensator 42 einseitig angeschlossen.

Die Ansteuerung des ersten Sehalttransistors erfolgt in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Sauerstoff-Fühlers 4o, der in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgases eine Ausgangsspannung liefert. In Fig. 3 ist die Ausgangsspannung des Säuerstoff-Fühlers 4o über der Luftzahl λ des zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches aufgetragen. Auf der Ordinate des Diagrammes nach Fig. 3 ist die Ausgangsspannung U des Sauerstoffühlers 4o aufgetragen und auf der Abszisse ist die Luftzahl Λ in einem Bereich von etwa o,8 bis 1,3 aufgetragen. Bei einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch (A= 1) ändert sich die Ausgangsspannung des Sauerstoffühlers nahezu schlagartig, wobei bei niedrigen Luftzahlen eine hohe Ausgangsspannung und bei hohen Luftzahlen eine niedrige Ausgangsspannung vorliegt. Dabei bedeuten Luftzahlen kleiner 1 ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch und Luftzahlen größer 1 ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch. Die Höhe der Ausgangsspannung des Sauerstoff-

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Fühlers 4ο ändert sich dabei sehr stark mit der Temperatur

•Cim Auspuffsystem der Brennkraftmaschine. Der Sauerstoff- Fühler 4o ist über einen Eingangswiderstand 47 mit dem invertierenden Eingang eines als Schwellwertschalter dienenden Operationsverstärker verbunden. Die Schaltschwelle des Schwellwertschalters 48 ist durch einen Spannungsteiler 49 und 5o, der zwischen die Versorgungsleitungen 45 und 46 geschaltet ist, bestimmt, wobei das Potential am Abgriff des Spannungsteilers über einen Eingangswiderstand 51 dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 48 zugeführt ist. Mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 48 ist ein Arbeitswiderstand 52 verbunden, der zu der Versorgungsleitung 45 führt. Außerdem ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 48 ein Basisvorwiderstand 53 verbunden, der an der Basis einer Verstärker-Endstufe 54 angeschlossen, welche den ersten Schalttransistor 43, der ein Leistungs trans is tor ist, umsct.altet. ·

Mit dem Ausgang des OperationsVerstärkers 48 ist weiterhin eine Sicherheitsschaltstufe 55 verbunden, die eine monostabile Kippstufe 56 aufweist. Die monostabile Kippstufe hat einen Kondensator, dessen eine Elektrode direkt am · Ausgang des Operationsverstärkers 48 liegt und dessen andere Elektrode über eine Diode mit der Basis eines Transistors

58 verbunden ist. Mit der Anode der Diode 59 ist ein Widerstand 60 verbunden, der einseitig an die gemeinsame Versorgungsleitung 45 angeschlossen ist. Die Kathode der Diode

59 ist mit der Basis des Transistors 58 und einem Widerstand 6l verbunden, der zu der gemeinsamen Versorgungsleitung führt. Der Kollektor des Transistors 58'ist über einen Arbeitswiders tand 62 mit der gemeinsamen Plus leitung verbunden und der Emitter des Transistors 58 ist direkt an die gemeinsame Versorgungsleitung 46 angeschlossen. Mit dem Kollektor des Transistors 58 ist die Anode einer Diode 63 verbunden, deren Kathode mit der einen Elektrode eines

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.Ladekondensators 64, einen Widerstand 65 und der Basis eines zweiten Schalttransistors 66 verbunden ist. Der Ladekondensator 64 und der Widerstand 65 sind einseitig an die gemeinsame Versorgungsleitung 46 angeschlossen. Der Kollektor des zweiten Schalttransistors 66 ist über einen Arbeitswiderstand 8l mit der Plusleitung 45 verbunden. Am Kollektor des zweiten Schalttransistors 66 ist weiterhin ein Spannungsteiler aus Widerständen 68, 69 angeschlossen, wobei der Widerstand 69 zu der gemeinsamen Versorgungsleitung 46 führt. Ebenso ist ein Emitterwiderstand 0*7 mit der Versorgungsleitung 46 verbunden. An den Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen 68 und 69 is-t ein dritter Schalttransistor 7o angeschlossen, dessen Emitter direkt mit der Versorgungsleitung 46 Verbindung hat. Der Kollektor des dritten Schalttransistors 7o hat mit der Basis des Transistors 54 Verbindung.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Schalteinrichtung ist folgende. Wenn durch den Sauerstoff-Fühler 4o in der Abgassammelleitung 15 -signalisiert wird, daß das der Brennkraftmaschine Io zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch zu fett ist, d.h., daß die Luftzahl s{<£ 1 ist, liegt am Ausgangs des Sauerstoff-Fühlers 4o bei normaler Betriebstemperatur eine positives Signal an. Dieses positive Signal wird auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 48 gegeben, so daß an dessen Ausgang ein negatives Signal erscheint. Dieses negative Signal gelangt über den Widerstand 53 auf die Basis des Verstärker-Transistors 54, der dadurch sperrt. Bei sperrenden Verstärkertransistor 54 gelangt ein positives Signal auf die Basis des ersten Schalttransistors 43 und steuert diesen in seinen leitenden Zustand. Dadurch wird die Arbeitswicklung 41 erregt und die Klappe 42 des Dreiwegeventiles 23 in eine Lage gebracht, bei der der Saugrohrdruck

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auf den zweiten Steuerdruckraum wirkt* Dadurch wird die Membran 36'vom zweiten Steuerdruckraum l8 aus entlastet und die Feder 37 kann sich ausdehnen. Dies hat zur Folge, daß die Dosierkegel 29 und 3ο nach Fig» 1 nach unten bewegt werden, so daß mehr Luft dem Abgas zugemischt wird.

Im anderen Beispiels fall ist das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu mager, so daß am Ausgang des Sauerstoff-Fühlers ein neagtives Potential auftritt . Dieses negative Potential ruft am Ausgang des Operationsverstärkers 48 ein positives Signal hervor, das den Verstärkertransistor 54 in den leitenden Zustand steuert. Bei leitendem Verstärker-Transistor 54 sperrt der erste Schalttransistor 43 und die Arbeitswicklung wird nicht erregt, dadurch gelangt die Klappe 43 des Dreiwegeventiles in ihre andere Schaltlage, so daß der Abgasgegendruck in den zwei'ten Steuerdruckraum 18 gelangt. Dadurch wird die Membran 36 nach oben verschoben, und mit dieser Membran 36 über die Führungsstange 28 auch die Dosierkegel 29 und 3o. Eies bewirkt eine Drosselung oder im Extremfall eine Absperrung der Zusatzluftzugabe zum Abgas.

Die Wirkungsweise der Sicherheits-Schaltstufe ist im folgenden beschrieben: Im normalen Betriebsfall schaltet der' Ausgang des Operationsverstärkers 48 ständig zwischen Plus und Minus hin und her, Bei jedem Wechsel der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 48 von Plus nach Minus gelangt über den Kondensator 57 negatives Potential an die Anode der Diode 59· Dadurch wird dem Transistor"58 der Basisstrom entzogen und er wird gesperrt, bis der Kondensator 57 umgeladen ist.

Während der Standzeit dieser monostabilen Kippstufe 56 wird der Ladekondensator 64 über den Widerstand 62 und die Diode 63 aufgeladen, sonst über den Widerstand 65 entladen. Das reicht aus, um den Transistor 66 leitend zu halten und damit den Transistor 7o gesperrt. Damit kann der Transistor 54, wie weiter oben beschrieben, arbeiten.

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Tritt dagegen eine Störung ein, d.h., ein durch niedrige Ab gastemperatur hervorgerufener zu hoher Innenwiderstand im Sauerstoff-Fühler 4o oder aber auch ein Kurzschluß oder eine Leitungsunterbrechung im Eingangskreis der Schalteinrichtung 4o, bleibt der Ausgang des Operationsverstärkers 48 auf irgendeinem statischen Potential stehen. Dadurch wird die monostabile Kippstufe 56 nicht mehr angestoßen, was zur Folge hat, daß der Transistor 58 ständig leitend ist. Wenn der Transistor 58 leitend ist, ist die Diode 63 gesperrt und der LadeVondensator 64 kann sich über den Widerstand 65 entladen. Wenn der Ladekondensator 64 genügend entladen ist, sperrt ei- den zweiten Schalttransistor 66. Dadurch tritt am Kollektor des gesperrten zweiten Schalttransistors 66 ein positives Signal auf, das den dritten Schalttransistor 7c· in seinen leitenden Zustand steuert. Der leitende dritte Sehalttranistor 7 ο sperrt den Verstärker-Transistor 5^l-» so daß der erste Schalttransistor 43 leitend wird ur.d damit für eine Maximal-Luft zugabe sorgt, so daß bei Störungen im Eingangskreis der Schalteinrichtung 38 stets mit sehr mageren Kraftstoff-Luft-Gsmisch gefahren wird und damit der Anteil der Schadstoffe im Abgas gering gehalten wird.

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Claims

- 11 - 2 0"; ί Ansprüche

1.) Schalteinrichtung zur geregelten Zugabe von Zusatzluft zum Abgas einer Brennkraftmaschine mit einer Abgas-Nachverbrennungseinrichtung im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine und einem irr Auspuffsystem angeordneten Sauerstoff-Fühler zur Ermittlung der Zusammensetzung di>s Abgases, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff-Fühler (4o) mit einem Schwellviertschalter (4.8) verbunden ii.t, welcher insbesondere über einen Verstärkertransistor (54) einen ersten Schalttransistor (43) umschaltet, der in Abhängigkeit von seinem Schaltzustand die Arbeitswicklung (41) eines Ventiles (23) ansteuert, das in an sich bekannter Vfeise die dem Abgas zugegebene Zusatzluftmenge vergrößert bzw. verringert.

2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sicherheitsschaltstufe (55) vorgesehen ist, die während der Start- und Anwärmphase der Brennkraftmaschine und bei einer Störung der Schalteinrichtung (38) oder der Signal-Zuleitungen eine maximale Zusatzluftzugabe auslöst, wobei die Sicherheitschaltstufe (55) mit dem Ausgang des Schwellwertschalters (48) verbunden ist und bei einem über einen bestimmtem Zeitraum vorliegenden statischen Signal des Schwellwertschalter (48) den ersten Schalttransistor (43) in den eine Zusatzluftmengenzugabe auslösenden Schaltzustand umschaltet.

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3. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang des Schwellwertschalters (48) eine monostabile Kippstufe (56) verbunden ist, mit deren Ausgang ein Ladekondensator (64) verbunden ist, welcher in Abhängigkeit von seinem Ladezustand den Schaltzustand eines zweiten S chs.lt tr ans is tors (66) bestimmt, der insbesondere über einen oritten Schalttransistor (7o) den Schaltzustand des ersten Schalttransistors (43) besinflußt.

4. Schalteinrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die monostabile Kippstufe (56) einen mit dem Ausgang des Schwellwertschalter (48) verbundenen Kondensator (57) aufweist, der mit seiner anderen Elektrode an einen Abgriff eines Spannungsteilers (59» 60, 6l) angelegt ist, an den die Steuerelektrode eines Transistors (58) angeschlossen ist, dessen Schaltstrecke über eine Diode (63) der Ladekondensator (64) parallelgeschaltet ist.

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