DE2604160A1

DE2604160A1 - Regeleinrichtung zur beeinflussung des der brennkraftmaschine zugefuehrten betriebsgemisches

Info

Publication number: DE2604160A1
Application number: DE2604160A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Stumpp; Wolf Ing Grad Wessel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1976-02-04
Filing date: 1976-02-04
Publication date: 1977-08-11
Also published as: SE7701177L; JPS5294930A; SE433521B; FR2340456A2; JPS6115231Y2; JPS60167140U; DE2604160C2; FR2340456B2

Description

21.1.1976 Bö/Ml ^

Anlage zur

P at e nt anmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Regeleinrichtung zur Beeinflussung des der Brennkraftmaschine zugeführten Betriebsgemisches

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung zur Beeinflussung des der Brennkraftmaschine zugeführten Betriebsgemisches mit einem von einer im Abgasstrom der Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoff-Messonde angesteuerten Schwellwertschalter, mit dem ein einen Schalter beeinflussendes Zeitglied in Wirkverbindung steht und durch dessen wechselnde Ausgangssignale bei normalem Betrieb der Regeleinrichtung der Schalter über das Zeitglied in eine erste Schaltlage und bei fehlendem Wechsel der Ausgangssignale der Schalter über das Zeitglied in eine zweite Schaltlage bringbar ist.

Die Gemischregelung wird der Grundsteuerung für die Aufbereitung des Betriebsgemisches, die mit einem Vergaser oder einer

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elektronisch gesteuerten Saugrohr-Einspritzvorrichtung erfolgen kann, überlagert und hat zur Aufgabe ₃ mit Hilfe der Sauerstoffmessonde das Betriebsgemisch auf einem geringfügig unterstöchiomeIrischen Wert konstant zu halten. Bei dieser Gemischzusammensetzung ergibt sich eine besonders günstige Zusammensetzung der Abgase der Brennkraftmaschine im Hinblick auf die darin enthaltenen schädlichen Anteile- Insbesondere läßt sich bei dieser Zusammensetzung ein im Abgassystem der Brennkraftmaschine zusätzlich angeordneter katalytischer Raktor zur Nachbehandlung der Abgase besonders günstig betreiben.

Eine solche Regelung funktioniert jedoch nur dann zufriedenstellend, wenn die Sauerstoffmessonde eine ausreichend verwertbare Regelgröße abgibt. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn die Sauerstoffmessonde noch nicht oder nicht mehr eine bestimmte Betriebstemperatur, die im allgemeinen über ^!00° C liegt, besitzt. Bei einer Sauerstoffmessonde ₃ die nach dem Prinzip der Ionenleitung durch einen Pestelektrolyten bei einer vorliegenden Sauerstoffpartialdruckdifferenz arbeitet, ist der Widerstand des Pestelektrolyten bei niedrigeren Temperaturen zu groß, als daß von der Sonde ein für die Regelung ausreichendes Spannungssignal abgegeben werden kann. Einer dieser Betriebszustände liegt z.B. während Ger Zeit des Warmlaufes der Brennkraftmaschine vor. Aber auch im Schiebebetrieb eines Fahrzeugmotors bzw. bei längerem Leerlauf desselben passiert es, daß das Abgas selbst nicht warm genug ist, um die Mindestbetriebstemperatur der. Messonde für einen funktionssicheren Betrieb einzuhalten.

Bei einer eingangs beschriebenen Regeleinrichtung ist es bereits bekannt, bei gestörtem Betrieb bzw. bei Fehlen eines Wechsels der Ausgangssignale der Sauerstoffmessonde eine Warneinrichtung oder eine Einrichtung zur Beeinflussung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine auszulösen. Es ist ferner bekannt, mit Hilfe eines dicht bei der Sauerstoffmesssonde angeordneten Thermoelements eine, die Sauerstoffmessonde beheizende Heizspirale zu steuern. Durch eine solche Zusatz-

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heizung wird die Sonde bei niedrigen Abgastemperaturen auf die notwendige Betriebstemperatur gebracht. Die Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß ein Temperaturfühler für diese in Frage kommenden Temperaturen von weit über 400 C verhältnismäßig teuer ist, und daß ferner die Gefahr besteht, daß der Temperaturfühler bei dem rauhen Betrieb im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine funktionsunfähig wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine wenig aufwendige Einrichtung zu schaffen, mit der bei nicht betriebsbereiter, kalter Sauerstoffmessonde eine Heizvorrichtung der Sauerstoffmessonde sicher eingeschaltet wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Zeitglied ein Integrator dient, der über einen von den Ausgangssignalen des Schwellwertschalters angesteuerten Transistor geschaltet ist und daß dem Zeitglied eine Schaltvorrichtung in einem Heizstromkreis einer Heizvorrichtung der Sauerstoffmessonde nachgeschaltet ist. Hierbei wird in vorteilhafter Weise das Fehlen von Steuersignalen, die eine mit einer Gemischregeleinrichtung integrierte Sauerstoffmessonde bei Betriebsbereitschaft abgibt, ausgenutzt, um in diesem Fall eine Beheizung der Sauerstoffmessonde einzuschalten. Dies hat weiterhin den Vorteil, daß ein Temperaturfühler mit seinen Nachteilen vollkommen entfallen kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß in der eingangsseitigen Speisespannungsanschlußleitung des Integrators ein von Impulsen mit einer der Drehzahl der Brennkraftmaschine entsprechender Frequenz angesteuerter Transistorschalter liegt. Durch diese Anordnung wird der Zeitablauf des Integrators auf die Zeit beschränkt, in der durch die Impulse konstanter Breite und drehzahlabhängiger Frequenz der Transistorschalter durchgeschaltet ist. Der Zeitablauf bis bei fehlendem Wechsel des Ausgangssignals des Schwellwertschalters bzw. der Sauerstoffmessonde die Heizung

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eingeschaltet wird, kann auf diese Weise drehzahlabhängig gemacht werden, so daß bei hoher Drehzahl die Einschaltung der Beheizung schneller erfolgt. Dies bedeutet eine erhöhte Funktions- und Ansprechsicherheit bei höheren Drehzahlen, insbesondere auch im Hinblick des bei höherer Drehzahl schnelleren Wechsels der Ausgangssignale der Sauerstoffmessonde. Es kann auf diese Weise eine absinkende Betriebstemperatur der Sauerstoffmessonde bereits sehr früh erfaßt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung sind den Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung zu entnehmen.

In der Zeichnung wird ein Teil eines Abgasrohres 1 des Abgassystems einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine wiedergegeben. In das Abgasrohr ist eine an sich bekannte Sauerstoffmessonde 2 eingesetzt, die nach dem Prinzip der Ionejileitung durch einen Pestelektrolyten arbeitet. Wenn die Sauerstoffkonzentration bzw. der Sauerstoffpartialdruck auf der den Abgasen der Brennkraftmaschine ausgesetzten Seite des Elektrolyten von der Sauerstoffkonzentration auf der anderen, einem Vergleichsmedium ausgesetzten Seite des Festelektrolyten abweicht, gibt die Sonde ein Spannungssignal ab, das im Bereich einer Luftzahl von A= l in den Abgasen der Brennkraftmaschine einen Spannungssprung aufweist. Solche Sonden sind bekannt und wurden bereits mehrfach beschrieben. Die Sonden haben dabei den Nachteil, daß eine Ionenleitung durch den Festelektrolyten, die geeignet ist, ein ausreichend deutliches Spannungssignal zu erzeugen, erst bei Betriebstemperaturen von ca. 400° C an der Messonde auftritt. Bei niedrigeren Temperaturen ist der Innenwiderstand der Messonde zu groß. Eine solche Sonde ist in der Zeichnung lediglich symbolisch angedeutet. Sie tritt in der Zeichnung im Rahmen der Schaltung nochmals als Spannungsquelle 2 auf. Das Spannungssignal dieser Sonde wird an die Basis eines Transistors h geführt, dessen Kollektor an einer gemeinsamen Versorgungsleitung 5 liegt und dessen Emitter mit einem Widerstand 6

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verbunden ist. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors ^l\ und der dazu in Reihe geschaltete Widerstand 6 bilden einen ersten Brückenzweig einer Brückenschaltung 7- In Reihe zu diesem Brückenzweig liegt ein Widerstand 8, der über einen weiteren Widerstand 9 mit einer gemeinsamen, positive Spannung führenden Versorgungsleitung 10 verbunden ist. Parallel zu dem aus dem Transistor und dem Widerstand 6 gebildeten ersten Brückenzweig und dem aus dem Widerstand 8 gebildeten zweiten Brückensweig liegt eine Zenerdiode 11. Weiterhin liegt parallel zum Widerstand 8 ein Widerstand 13 in einem dritten Brückenzweig der Brückenschaltung 7 und in Reihe dazu in einem vierten Brückenzweig ein Emitterwiderstand lU gefolgt von der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 15, dessen Kollektor an die gemeinsame Versorgungsleitung 5 angeschlossen ist. Die Basis des Transistors 15 ist mit einem Spannungsteiler aus den Widerständen 16 und 16' parallel zum dritten und vierten Brückenzweig der Brückenschaltung 7 verbunden. Die Brückendiagonale der Brückenschaltung ist an einem Operationsverstärker 17 angeschlossen. Dabei ist der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 8 und 6 mit dem invertierten Eingang des Operationsverstärkers und der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 13 und 14 mit dem nicht invertierten Eingang des Operationsverstärkers 17 verbunden.

Der Ausgang des Operationsverstärkers liegt über einen Widerstand 18 an der gemeinsamen Versorgungsleitung 10 und ist ferner mit einem Regelverstärker- 1° mit integrierenden Eigenschaften verbunden. Bei der vorbeschriebenen Schaltung in Verbindung mit dem Regelverstärker 19 handelt es sich um eine bekannte übliche Regeleinrichtung, an dessen Ausgang ein nicht weiter dargestelltes Stellglied zur Beeinflussung des Kraftstoff-Luft-Gemisches der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. .

Die Wirkungsweise dieser beschriebenen Schaltanordnung ist folgende: Über den Transistor 4 wird das Ausgangssignal der

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Sauerstoffmessonde 2 in den ersten Brückenzweig der Brückenschaltung 7 eingespeist. Dieses elektrische Signal, das Aufschluß über den Sauerstoffgehalt in den Abgasen der Brennkraftmaschine gibt, bildet den Ist-Wert für die Regeleinrichtung. Der Soll-Wert, d.h. der Wert der Luftzahl Λ. , auf den das Kraftstoff-Luft-Gemisch eingeregelt werden soll, wird als durch die Zenerdiode 11 stabilisierte Spannung über den Spannungsteiler l6 und l6· auf die Basis des Transistors 15 gebracht. An dem Abgriffspunkt zwischen den Widerständen 13 und IiI der Brückenschaltung 7 tritt ein entsprechendes konstantes Bezugspotential auf, das mit der sich entsprechend der Sondenspannung ändernden Spannung im "Verknüpfungspunkt zwischen dem Widerstand 8 und 6 vom Operationsverstärker 17 verglichen wird. Der Operationsverstärker 17 dient dabei als Schwellwertschalter, der je nachdem ob der Ist-Wert entsprechend dem Signal der Sauerstoffmessonde über oder unterschritten wird, am Ausgang ein positives oder negatives Signal entsprechend der Spannung der Versorgungsleitungen 5 und 10 abgibt. Diese Signale werden zur Weiterverarbeitung dem Regelverstärker 19 zugeleitet. Aufgrund der Totzeit des Regelkreises Sauerstoffmeßsonde - Gemischregelung - Brennkraftmaschine - Sauerstoffmeßsonde liegen bei arbeitender Gemischregelung an der Sauerstoffmessonde Abgaszusammensetzungen mit ständig wechselndem Sauerstoffgehalt vor. Bei einer Regelung des Betriebsgemisches auf jL = 1 gibt die Sauerstoffmessonde im Abgassystem ein ständig wechselndes, einmal einen SauerstoffÜberschuß und einmal einen Sauerstoffmangel signalisierendes Signal ab. Mit steigender Drehzahl nimmt die Frequenz dieser Spannungswechsel an der Sauerstoffsonde zu. Die entsprechend an dem Operationsverstärker 17 am Ausgang auftretenden wechselnden Spannungen werden von dem Regelverstärker 19 erfaßt, der diese je nach Potential in die eine oder in die andere Richtung aufintegriert und entsprechend das Stellglied zur Beeinflussung des Kraftstoff-Luft-Gemisches der Brennkraftmaschine ansteuert.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 17 ist weiterhin über einen Widerstand 21 mit der Basis eines NPN-Transistors 22 ver-

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bunden, dessen Emitter an der gemeinsamen Versorgungsleitung 5 liegt und dessen Kollektor über einen Widerstand 23 und einen Widerstand 24 mit der gemeinsamen Versorgungsleitung 10 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 22 ist ferner mit der Basis eines Transistors 25 verbunden, dessen Emitter ebenfalls an der Versorgungsleitung 5 liegt und dessen Kollektor über einen Widerstand 26 an die Versorgungsleitung 10 geführt ist. Die Kollektoren der Transistoren 22 und 25 sind unmit- '

telbar über einen Kondensator 27 verbunden. Die vorgenannte | Schaltung aus den Transistoren 22 und 25 und den Widerständen 23 und 26 sowie den Kondensator 27 stellt einen an sich bekann- j ten Miller-Integrator 28 dar, dessen Ausgang am Kollektorab- _: griff des Transistors 25 über einen Widerstand 30 ^mit der Basis eines Transistors 31 verbunden ist. Der Kollektor dieses als Emitterfolger geschaltete Transistors ist mit der Basis eines Leistungstransistors 33 verbunden₅ dessen Emitter mit der Versorgungsleitung 5 und dessen Kollektor über die Spule eines Relais 35 mit der Versorgungsleitung 10 verbunden ist. Beim Transistor 31 ist in der Verbindung des Kollektors zur Versorgungsleitung 10 ein Kollektorwiderstand 32 vorgesehen.

Über das Relais 35 ist ein Schalter 36 betätigbar, der in der Stromversorgungsleitung 37 einer Heizvorrichtung 38 der Sauerstoff sonde 2 liegt. Diese Heizvorrichtung besteht vorzugsweise aus einer die Sauerstoffsonde dicht umgebenden Heizspirale, die einerseits mit dem Abgasrohr 1 als Masse verbunden ist und andererseits isoliert durch das Abgasrohr zu einer positiven Spannungsquelle j s.B. dem Pluspol der Fahrzeugbatterie führt.

Parallel zum Widerstand 24 in der Kollektorverbindung des Transistors 22 zur Versorgungsleitung 10 liegt ein Transistor 40 mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke, dessen Basis von einem Impulsformer 4l angesteuert wird. Der Impulsformer 4l erhält z.B. vom Zündverteiler 42 der Brennkraftmaschine drehzahlabhängige Impulse, die er in Rechtecksimpulse mit ebenfalls drehzahlabhängiger Frequenz und konstanter Breite umformt.

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Die beschriebene Schaltung arbeitet folgendermaßen: Bei betriebsfähiger Sauerstoffraessonde tritt am Ausgang des Operationsverstärkers 17, wie bereits beschrieben, ein ständig zwischen einem hohen Potential (H) und einem niedrigen Potential (L) wechselndes Signal auf. Jedes Η-Potential macht den Transistor 22 leitend, wodurch nach kurzer Umladezeit für den Kondensator 27 an der Basis des Transistors 25 das niedrige Potential der Versorgungsleitung 5 anliegt und dieser voll gesperrt wird. Der Kollektoranschluß des Transistors 25 wird daraufhin positiv, so daß an der Basis des Transistors 31 ein gegenüber der Versorgungsleitung 5 positive Spannung anliegt und der Transistor durchgeschaltet wird. Damit gelangt die Basis des Transistors 33 auf das Potential der Versorgungsleitung 5, wodurch der Transistor 33 gesperrt wird und der Stromfluß durch das Relais 35 unterbrochen wird. Damit wird der Schalter 36 in der Stromversorgungsleitung 37 der Heizvorrichtung geöffnet und die Heizung abgeschaltet.

Gelangt nun zur Basis des Transistors 22 ein L-Potential, so wird dieser Transistor gesperrt. Von diesem Zeitpunkt an beginnt die Funktion des Miller-Integrators 28 abzulaufen. Dabei sei angenommen, daß der Transistor 40 zunächst einmal durchgeschaltet ist. Der zuvor aufgeladene Kondensator 27 kann sich nun über den Widerstand 23 und den Transistor 25 entladen. Die Entladezeit wird dabei durch den Widerstand 23 bestimmt. Mit steigendem Entladungszustand des Kondensators 27 wird die Basis des Transistors 25 positiver, bis dieser völlig durchschaltet und der Transistor 3I gleichzeitig gesperrt wird. Die nun an der Basis des Transistors 33 gegenüber der Versorgungsleitung 5 anliegende positive Spannung macht diesen Transistor leitend. Dies hat ein Anziehen des Relais 35 und ein Schliessen des Schalters 36 zur Folge.

Tritt also innerhalb Ablauf der durch'den Widerstand 23 und die Kapazität des Kondensators 27 bestimmten Entladezeit kein neues Η-Potential auf, das den Transistor 22 durchschaltet, wird danach der Heizstromkreis der Heizvorrichtung geschlossen.

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Wechselt vor Ablauf dieser Zeit das an der Basis des Transistors 22 anliegende L-Potential wieder zu einem H-Potential, so bleibt der Transformator 25 und der Transformator 33 gesperrt und der Schalter 36 geöffnet. Die Laufzeit des Miller-Integrators wird bei dieser Ausführung so bemessen, daß bei funktionsfähiger Sauerstoffmessonde immer ein Wechsel des Ausgangssignals vor Ablauf dieser Zeit auftritt und die Transistoren 25 und 33 praktisch bei betriebsbereiter Sonde ständig gesperrt bleiben. Durch diese Schaltvorrichtung wird also zunächst die noch kalte Sauerstoffmessonde mit dem Einschalten der Regelung beheizt und diese Beheizung ab dem Augenblick abgeschaltet ab dem die Sonde in ausreichend schneller Folge Steuersignale mit unterschiedlichem Potential abgibt.

Diese Schaltvorrichtung würde grundsätzlich auch dann funktionieren, wenn statt des Widerstands 24 und dem Transistor 40 eine direkte Verbindung zwischen dem Widerstand 23 und der Versorgungsleitung 10 bestehen würde. Mit Hilfe des Transistors 40 in Verbindung mit dem Impulsformer 4l kann nun aber der Zeitablauf des Miller—Integrators drehzahlabhängig gesteuert werden. Dabei wird der Transistor mit drehzahlabhängiger Frequenz einmal gesperrt und einmal durchgeschaltet. In den Zeitabschnitten, in denen der Transistor 40 gesperrt ist, läuft der Entladungsvorgang nur längsam über den zusätzlichen Widerstand 24 ab. Bei durchgeschaltetem Transistor erfolgt dieser Entladungsvorgang schneller, so daß sich eine treppenförmig verzögerte Entladungscharakteristik ergibt. Mit steigender Drehzahl erhöht sich die Dauer pro Zeiteinheit, für die der Transistor 40 durchgeschaltet ist, so daß bei hoher Drehzahl, bei der auch bei betriebsbereiter Sauerstoffmessonde eine höhere Folge der Spannungssignale auftritt, der Zeitablauf des Miller-Integrators gegenüber niedrigen Drehzahlen verkürzt wird. Dies hat den Vorteil, daß in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine ein zu kalter Zustand der Sauerstoffmessonde schnell erfaßt und die Beheizung eingeschaltet werden kann.

Statt des in dem Ausführungsbeispiel vorgesehenen Relais kann in anderer Ausgestaltung der Schaltung die Heizvorrichtung auch

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als Köllektorwxderstand in der Emitter-Kollektor-Strecke des Trarxsistors 33 liegen.

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Claims

Ansprüche

1. !Regeleinrichtung zur Beeinflussung des der Brennkraftmaschine

zugeführten Betriebsgemisches mit einem von einer im Abgasstrom der Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoffmessonde angesteuerten Schwellwertschalter, mit dem ein einen Schalter beeinflussendes Zeitglied in Wirkverbindung steht und durch dessen wechselnde Ausgangssignale bei normalem Betrieb der Regeleinrichtung der Schalter über das Zeitglied in eine erste Schaltlage und bei fehlendem VJechsel der Aus gangs signale der Schalter über das Zeitglied in eine zweite Schaltlage bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitglied ein Integrator (28) dient, der über einen von den Ausgangssignalen des Schwellwertschalters (17) angesteuerten Transistor (22) geschaltet ist, und daß dem Zeitglied eine Schaltvorrichtung (333 353 36) in einem Heizstromkreis (37) einer Heizvorrichtung (38) der Sauerstoffmessonde (2) nachgeschaltet ist.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltvorrichtung ein im Heizstromkreis liegender Halbleiterleistungsschalter (33) dient, der über einen Transistor (31) angesteuert ist.

3. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der eingangsseitigen Versorgungsleitung des Integrators ein von Impulsen mit einer der Drehzahl der Brennkraftmaschine entsprechenden Frequenz angesteuerter Transistorschalter (40) liegt.

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