DE2624797A1

DE2624797A1 - Steuereinrichtung fuer das kraftstoffgemisch eines verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE2624797A1
Application number: DE19762624797
Authority: DE
Inventors: Makoto Anzai; Masaharu Asano
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-06-03
Filing date: 1976-06-02
Publication date: 1976-12-16
Also published as: GB1511955A; JPS51154616U; JPS5815648Y2; CA1088648A; US4120270A

Description

Steuereinrichtung für das Kraftstoffgemisch eines Verbrennungsmotors

Die Erfindung besieht sich auf eine Steuereinrichtung mit geschlossener Regelschleife für das Kraftstoffgemisch eines Verbrennungsmotors, insbesondere auf eine solche Steuereinrichtung, bei der eine Sicherheitseinrichtung vorgesehen ist, die unerwünschte Folgen durch das fehlerhafte Arbeiten eines Fühlers für die Auspuffgase unterbindet.

Eine herkömmliche Steuereinrichtung mit geschlossener Regelschleife für das Kraftstoffgemisch, die einen Fühler für die Auspuffgaszusammensetzung benutzt, arbeitet nur einwandfrei, wenn das von dem Fühler abgegebene Signal richtig ist. Sollte der Fühler ausfallen, so kann sein Ausgangssignal auf einem Wert festgehalten werden, der die Eegelschleife auf ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt, das zu mager für den Verbrennungsmotor ist, um unter bestimmten Betriebsbedingungen zu arbeiten, mit der Folge, daß die Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors nachläßt. Vom Sicherheitsstandpunkt eines Fahrzeuges aus soll die Regelschleife lieber auf einem fetteren Gemisch eingestellt bleiben als auf einem zu mageren Ge-

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misch, um einen Leistungsabfall während Gefahrensituationen zu "vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue Steuereinrichtung zu schaffen, die bei einem Ausfall oder einer Störung des Fühlers für die AuspuffgaszusammenSetzung automatisch ein angereichertes Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt.

Bei einer Steuereinrichtung der genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst durch eine erste Einrichtung zum Erfassen der Auspuffgaszusammensetzung des Verbrennungsmotors und zum Erzeugen eines entsprechenden elektrischen Signals, durch eine zweite Einrichtung zum Steuern der Zufuhr des Luft-Kraftstoff-Gemisches an den Verbrennungsmotor entsprechend dem elektrischen Signal, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einem bestimmten Wert zu halten und durch eine zwischen die erste und die zweite Einrichtung geschaltete dritte Einrichtung zum Binden des elektrischen Signals an eine solche Spannung, daß die zweite Einrichtung das Luft-Kraftstoff Verhältnis auf einen Wert vermindert, der niedriger als der bestimmte Wert ist, wenn das Betriebsverhalten der ersten Einrichtung unnormal wird.

Weitere, die besondere Ausbildung der neuen Steuereinrichtung betreffende Ausgestaltungen der Erfindung- sind in den Untsransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine allgemeine Schaltung für eine die Erfindung benutzende Steuereinrichtung und

Fig. 2 bis 6 detaillierte Schaltungen einer Eingangsschaltung, die bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung benutzt wird.

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In Fig. 1 ist schenatisch eine die Erfindung benutzende Steuereinrichtung mit geschlossener Eege!schleife dargestellt. 2ine? Luft-Kraftstoff-Zuführungseinrichtung 10 gibt Luft-Kraftstoff-Gemische durch einen Einlaß 11 hindurch an die Zylinder eines Verbrennungsmotors 12. Ein katalytischer Umformer 13, z.B. nit einem Dreiweg-Katalysator ist mit dem Auspuffgasauslaß des Verbrennungsmotors verbunden, um giftige Bestandteile in unschädlichen Wasserdampf und Kohlendioxid beim stöchiometrisdi en Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches umzuformen. Ein Fühler 14 für die Auspuffgaszusammensetzung, wie z.B. ein handelsüblicher Sauerstoffühler aus Zirkondioxid ist in dem Auspuffgasauslaß vorgesehen, um die Sauerstoffkonzentration der Auspuffgase zu erfassen und ein Ausgangssignal an eine Steuerschaltung 15 über eine Eingangsschaltung 16 zu geben. Das Ausgangssignal von der Steuerschaltung 15 wird zurück an die Zuführungseinrichtung 10 gegeben," so daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf dem stöchiometrischen Wert eingeregelt wird.

Die Steuerschaltung 15 v/eist einen Differenzverstärker 20 auf, der ein Ausgangssignal erzeugt, das die Differenz zwischen einer dem invertierenden Eingang zugeführten Spannung und einer von einem Spannungsteiler H^, Ro erzeugten Bezugsspannung angibt. Ein Signal entgegengesetzter Polarität wird am Ausgang des Verstärkers 20 in Abhängigkeit davon erzeugt, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oberhalb oder unterhalb des stöchiometrischen Wertes liegt. Das Ausgangssignal von dem Differenzverstärker 20 wird an einen proportional arbeitenden Steuerverstärker 21 und an einen integrierenden Steuerverstärker 22 gegeben, so daß die Steuerschaltung die kombinierten Eigenschaften einer proportionalen und einer integrierenden Regelung hat. Zu diesem Zweck ist ein Summierverstärker 23 vorgesehen, der die Ausgangssignale von beiden Steuerverstärkern 21 und 22 erhält und die zusammengefaßten Signale an ein Betätigungsglied der Zuführungseinrichtung 10 in bekannter Weise gibt.

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Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Eingangsschaltung 16,. die einen Feldeffekttransistor 30 aufweist, dessen Gate-Elektrode mit dem Fühler 14- verbunden und dessen Souree-Drain-Strecke zwischen Erde und eine positive Speisespannung +Vcc geschaltet ist, wobei ein Widerstand 32 zwischen Erde und die Source-Elektrode geschaltet ist. Ein ITPN-Transistor 31 ist mit seiner Basis mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 30 verbunden. Sollte der Fühler 14 aus irgendeinem Grund kurzgeschlossen sein, so wird die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 30 auf Erdpotential gelegt, wodurch der Feldeffekttransistor 30 gesperrt wird. Als Folge davon wird das über dem Widerstand 32 erzeugte Potential auf Erdpotential vermindert und dadurch der Transistor 31 gesperrt, so daß der Kollektor des Transistors 31 auf hohen Spannungspegel gelangt. Dieses Ausgangssignal hohen Pegels entspricht der maximalen Spannung, die auftritt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis magerer als das stöchiometrische "Verhältnis ist.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, gibt die Eingangsschaltung 16 eine-Ausgangsspannung hohen Pegels an den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 20,wenn das Gemisch magerer als das stöchiometrische Gemisch ist, so daß damit die Bezugsspannung überstiegen und als Folge davon das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 20 negativ wird. Die Signalpolarität am Ausgang des Verstärkers 20 wird in den Verstärkern 21 und 22 umgekehrt und nochmals umgekehrt durch den Summierverstärker 23, so daß, wenn ein negatives Ausgangssignal am Ausgang der Steuerschaltung 15 erscheint, die Zuführungseinrichtung 10 so gesteuert wird, daß die Kraftstoffmenge erhöht wird, wodurch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zur fetteren Seite hin verschoben wird. Ist daher der Sauerstoffühler 14- kurzgeschlossen, so wird eine hohe Spannung an den Differenzverstärker 20 von·'der Eingangsschaltung 16 aus gegeben, so daß die Steuerschaltung 15 ein das Gemisch zur fetteren Seite hin verschiebendes Signal an die Zuführungseinrichtung 10 gibt, wie wenn ein zu mageres Gemisch festgestellt worden wäre.

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Sollte der Fühler 14- dagegen unterbrochen oder seine Ausgangsschaltung abgetrennt sein, so wird die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors JO der Eingangsschaltung 16 durch einen Widerstand 33 auf Erdpotential gehalten. Die Transistoren 30 und 31 werden daher in der gleichen Weise wie zuvor gesperrt und die Spannung am Kollektor des Transistors 31 steigt auf 'die maximale Spannung an.

Der Sauerstoffühler 14- hat einen sehr hohen inneren Widerstand von mehreren Zehnerstellen von Megaohm bei niedrigen Temperaturen und es wird daher ein falsches Ausgangssignal von ihm abgegeben, bevor der Verbrennungsmotor v/armgelaufen ist, um die Temperatur des Fühlers 14· zu erreichen, die für seinen Betriebsbereich ausreichend ist. Während des Warmlaufens des Verbrennungsmotors wird die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 30 über den Widerstand 33 wegen des hohen Innenwiderstandes des Fühlers im wesentlichen auf Erdpotential gehalten .-und beide Transistoren 30 und 31 bleiben daher gesperrt, um eine hohe Ausgangsspannung abzugeben, die eine Vergrößerung der Kraftstoffmenge bedingt.

Andererseits kann die Eingangsschaltung 16 in der in Fig. 3 gezeigten Weise aufgebaut sein, die ähnlich, dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau ist, mit der Ausnahme, daß der Feldeffekttransistor 30 und der Widerstand 33 durch einen KPIT-Transistor 40 ersetzt sind, dessen Basis mit dem Fühler 14- und dessen Emitter mit der Basis des Transistors 31 voad. mit Erde über den Widerstand 32 verbunden sind, während sein Kollektor mit der Speisespannung +Vcc verbunden ist. Ein Ausfall des Fühlers 14-, entweder durch Kurzschluß oder durch Unterbrechung, bev/irkt das Sperren beider Transistoren, so daß die Ausgangsspannung am Kollektor des Transistors 31 während eines Ausfalls des Fühlers auf hohem Potential bleibt.

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Fig. 'I- zeigt eine weitere Abänderung des in Fig. 2 gezeigten Aufbaus. Die den Feldeffekttransistor 30 und die Widerstände 32 und 33 umfassende Schaltung ist durch einen PHP-Transistor 50 ersetzt, dessen Basis mit dem Fühler 14 und über einen Widerstand 51 siit Erde, dessen Kollektor mit Erde und dessen Emitter mit der Basis des Transistors 51 "und über einen Widerstand 52 mit der Speisespannung +Ycc verbunden sind. Ein Kurzschluß des Fühlers bewirkt, daß der Transistor 50 leitend wird, um die Basisspannung des Transistors 31 auf Erdpotential abzusenken, wodurch dieser gesperrt wird. Der Widerstand 51 ist so gewählt, daß ein ausreichender Basisstrom während eines Ausfalls des Fühlers durch Unterbrechung auftritt, um den Transistor 50 in seinen leitenden Zustand umzuschalten. Durch das Leitendwerden des Transistors 50 wird die Basisspannung des Transistors 31 auf einen Pegel gebracht, der gleich dem Erdpotential ist, wodurch der Transistor 31 gesperrt wird.

Wenn die Spannung des Fühlers unter einen Wert fällt, der kleiner als die Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors 40 ist,die zwischen 0,5 und 0,7 "Volt liegt, so ändert sich in Fig. 3 die Kollektorspannung des Transistors 31 nicht als eine Funktion der Eingangsspannung an der Basis. TJm diese unerwünschte Erscheinung zu vermeiden, wird die in Fig. 3 gezeigte Schaltung modifiziert, wie dieses in Fig.5 gezeigt ist, wo der Emitter des Transistors 40 mit einer negativen Speisespannung -Vcc anstatt Erde über einen Widerstand 32 verbunden ist.

Eine weitere Abwandlung ist in Fig. 6 gezeigt. Ein NPlT-Transistor 60 ist vorgesehen, dessen Basis mit dem Fühler 14,:dessen Kollektor mit der positiven Speisespannung +Vcc und dessen Emitter mit der negativen Speisespannung -Vcc über einen Widerstand 62 verbunden sind. Ein PIiP-Tr ans is tor 61 ist mit seiner Basis mit dem Emitter des Transistors 60

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verbunden, während sein Kollektor mit der Speisespannung -Vc. und sein Emitter mit der. positiven Speisespannung +Vco über einen Widerstand 63 und eine Diode 64 verbunden ist. Mit der Anode der Diode 64 ist die Basis des Transistors 31 verbunden. Bei einem Ausfall des Fühlers durch Unterbrechung wird der Transistor 60 gesperrt, wodurch der Transistor 61 leitend wird. Als Folge davon wird der Transistor 31 gesperrt und sein Kollektor führt eine hohe Spannung. Das gleiche Schaltverhalten tritt auf, wenn der Fühler 14 durch Kurzschluß ausfällt und die Basis des Transistors 60 auf Erde gelegt wird. Der Transistor 61 wird dann leitend, da seine Basis negativ vorgespannt ist, wodurch der Transistor 31 gesperrt wird und an seinem Kollektor hohe Spannung anliegt.

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Claims

Patentansprüche

Λ.) Steuereinrichtung mit geschlossener Regelschleife für fas Kraftstoffgemisch eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (14) zum Erfassen der Auspuffgaszusammensetzung des Verbrennungsmotors (12) und zum Erzeugen eines entsprechenden elektrischen Signals, durch eine zweite Einrichtung (10,15) zum Steuern der Zufuhr des Luft-Kraftstoff-Gemisches an den Verbrennungsmotor (12) entsprechend dem elektrischen Signal, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einem bestimmten Wert zu halten und durch eine zwischen die erste und zweite Einrichtung (14,10,15) geschaltete dritte Einrichtung (16) zum Binden des elektrischen Signals an eine solche Spannung, daß die zweite Einrichtung (10,15) das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einen Wert vermindert, der niedriger als der bestimmte Wert ist, wenn das Betriebsverhalten der ersten Einrichtung unnormal wird.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (16) einen Feldeffekttransistor (30), dessen Gate-Elektrode mit der ersten Einrichtung (14) und dessen Drain-Elektrode mit einem ersten Anschluß einer Spannungsquelle (+Vcc) und dessen Source-Elektrode mit einem zweiten Anschluß der Spannungsquelle über einen Widerstand (32) verbunden sind, und einen zweiten Transistor (31) aufweist, dessen Basis mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors (30), dessea Kollektor mit einem der ersten und zweiten Anschlüsse und dessen Emitter mit dem anderen dieser Anschlüsse verbunden sind.

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3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (31) ein NHT-Transistor ist, dessen Kollektor mit dem ersten Anschluß der Spannungsquelle (+Vcc) und dessen Emitter mit dem zweiten Anschluß der Spannungsquelle verbunden sind.
4. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dritte Einrichtung (16) einen ersten Transistor (40), dessen Basis mit der ersten Einrichtung (14), dessen Kollektor mit einem ersten Anschluß einer Spannungsquelle (+Vcc) und dessen Emitter mit einem zweiten Anschluß der Spannungsquelle über einen Widerstand (32) verbunden sind, und einen zweiten Transistor (31) aufweist, dessen Basis mit dem Emitter des ersten Transistors (40), dessen Kollektor mit einem der ersten und zweiten Anschlüsse der Spannungsquelle und dessen Emitter mit dem anderen der ersten und zweiten Anschlüsse verbunden sind.
5. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Transistor (40,31) NHT-Transistoren sind und daß der Kollektor des zweiten Transistors mit dem ersten Anschluß der Spannungsquelle (+Vcc) und der Emitter des zweiten Transistors mit dem zweiten Anschluß der Spannungsquelle verbunden sind.
6. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dritte Einrichtung (16) einen ersten Transistor (50), dessen Basis mit der ersten Einrichtung (14), dessen Emitter mit einem ersten Anschluß einer Spannungsquelle (+Vcc) und dessen Kollektor mit einem zweiten Anschluß der Spannungsquelle verbunden sind, einen zweiten Transistor (31)» dessen Basis mit dem Emitter des ersten-Transistors (50), dessen Kollektor mit einem der ersten und zweiten Anschlüsse der Spannungsquelle und dessen Emitter mit

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dem anderen der ersten und zweiten Anschlüsse verbunden sind, und einen Widerstand (51) aufweist, der zwischen die Basis des ersten Transistors (50) und den zweiten Anschluß der Spannungsquelle geschaltet ist und dessen Widerstandswert so gewählt ist, daß der erste Transistor einen ausreichenden Basis-Emitter-Strom führt, um ihn in den leitenden Zustand zu schalten, wenn eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Einrichtung (14-) und der Basis des ersten Transistors (50) nicht vorliegt.

7- Steuereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Transistor (50) ein PKP-Transistor und der zweite Transistor (31) ein HPIT-Transistor ist, dessen Kollektor mit dem ersten Anschluß und dessen Emitter mit dem sv/eiten Anschluß der Spannungsquelle (+Tec) verbunden sind.

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