DE3029357C2 - System zum Regeln des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Ein solches System ist ein Rückkopplungsregelsystern, in dem ein Sauerstoffühler vorgesehen ist, um den Sauerstoffgehalt der Abgase abzutasten und um ein elektrisches Signal als Anzeige des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Luft-Brennstoff-Gemisches, das durch einen Vergaser zugeführt wird, zu erzeugen. Das Regelsystem enthält eine Beurteilungsschaltung zur Beurteilung des Ausgangssignals des Sauerstoffühlers, eine Integrationsschaltung, die mit der Beurteilungsschaltung verbunden ist, eine Antriebsschaltung zum Erzeugen von Rechteckwellenimpulsen aus dem Ausgangssignal der Integrationsschaltung und ein Auf-Zu-Elektromagnetventil zum Korrigieren des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches. Das Regelsystem arbeitet, um zu beurteilen, ob das Rückkopplungssignal von dem Sauerstoffühler höher oder niedriger als ein vorbestimmter Bezugswert entsprechend dem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis ist, um ein Fehlersignal zum Betätigen des Auf-Zu-Elektromagnetventils zu erzeugen und dadurch das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches zu regeln.

Ein solches Rückkopplungsregelsystem führt aufgrund der Verzögerung beim Ansprechen des Sauerstoffühlers Eigenschwingungen aus. Das durch das Auf-Zu-Elektromagnetventil korrigierte Gemisch wird in den Zylinder des Motors eingeführt und strömt durch den Ansaugkanal und wird darin verbrannt und danach zu dem Abgaskanal abgegeben. Zu der Zeit, zu der der Sauerstoffühler den Sauerstoffgehalt der Abgase aufgrund des korrigierten Gemisches feststellt, pendelt die Korrigierwirkung mit dem Auf-Zu-Elektromagnetventil über den gewünschten Punkt. Als Ergebnis wird ein fettes oder mageres Gemisch aufgrund des Überschwingens in den Motor eingeführt und die Abweichung wird durch den Sauerstoffühler festgestellt. Auf diese Weise wird eine Korrekturwirkung in der entgegengesetzten Richtung eingeleitet. Nach dieser Schwingung des Regelbetriebs konvergiert die Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches zu dem stöchiometrischen Verhältnis. Die Abweichung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches wird deshalb auf das stöchiometrische Verhältnis mit einiger Verzögerung korrigiert. Die gewünschte Verringerung der schädlichen Bestandteile kann folglich nicht erreicht werden.

Andererseits hat es sich herausgestellt, daß, wenn der Dreiwegkatalysator den Abgasen ausgesetzt ist, deren Verhältnis der Bestandteile von einem mittleren Abgasbestandteilsverhältnis in einer geeigneten Periode abweicht, der Katalysator aktiviert werden kann, um dadurch die Emissionsverringerungswirkung zu erhöhen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Regelsystem zu schaffen, bei dem die Richtung der Abweichung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses von dem gewünschten Wert bestimmt werden kann, wodurch die Abweichung von dem gewünschten Wert schnell korrigiert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeich-

nung beschrieben, in der ist

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Luft-Brennstoff-Regelsystems,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der EMK des Sauerstoffühlers als Funktion des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des durch einen Vergaser iugeführten Gemisches,

Fig.3 ein Blockschaltbild eines elektronischen Regelsystems nach der Erfindung,

Fig.4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Motordrehzahl und der Periode des Normsignals,

F i g. 5 eine Darstellung eines Beispiels eines Zittersignals,

Fig.6A und B eine Darstellung der Beziehung zwisehen den Pegeln des Zittersignals und des Antriebssignals,

F i g. 7 eine Darstellung des Zittersignal:,

Fig.8 bis 10 eine Darstellung der Beziehung zwischen der Abweichung des Zittersignals und des Ausgangssignals einer Musterbeurteilungsschaltung,

F i g. 11 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12 ein Schaltbild eines Beispiels der elektronischen Schaltung des Systems und

F i g. 13 Darstellungen der Wellenformen an verschiedenen Stellen in F i g. 12.

Gemäß F i g. 1 steht ein Vergaser 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 in Verbindung. Der Vergaser enthält eine Schwimmerkammer 3, ein Venturirohr 4 in dem Ansaugkanal, eine Düse 5, die mit der Schwimmerkammer 5 über einen Hauptbrennstoffkanal 6 in Verbindung steht, und eine Leerlauföffnung 10, die nahe einem Drosselventil 9 vorgesehen ist und mit der Schwimmerkammer 3 über einen Leerlaufbrennstoffkanal 11 in Verbindung steht Luftkorrigierkanäle 8 und 13 sind jeweils parallel zu einer Hauptluftöffnung 7 und einer Leerlaufluftöffnung 12 vorgesehen. Auf-Zu-Elektromagnetventile 14 und 15 sind für die Luftkorrigierkanäle 8 und 13 vorgesehen. Die Einlaßöffnung jedes Auf-Zu-Elektromagnetventils steht mit der Atmosphäre über einen Luftfilter 16 in Verbindung. Ein Sauerstoffühler 19 ist in einer Abgasleitung 17 zum Feststellen des Sauerstoffgehalts der Abgase von dem Motor 2 angeordnet. Ein katalytischer Dreiwegkonverter 18 ist in der Abgasleitung 17 stromabwärts des Steuerstoffühlers 19 angeordnet.

Die Ausgangsspannung des Sauerstoffühlers 19 ändert sich steil bei einem Abgasverhältnis nahe dem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches, das durch den Vergaser zugeführt wird, siehe F i g. 2, so daß es möglich ist festzustellen, ob das Luft-Brennstoff-Gemisch in dem Ansaugkanal fetter oder magerer als das stöchiometrische Verhältnis ist, indem die Spannung des Sauerstoffühlers 19 bestimmt wird. Das Ausgangssignal des Fühlers 19 wird einem elektronischen Regelsystem 20 zum Regeln der Auf-Zu-Elektromagnetventile 14 und 15 zugeführt.

Gemäß F i g. 3 hat das elektronische Regelsystem eine Zittersignalerzeugungsschaltung 21 zum Erzeugen eines Zittersignals (a) der Fi g. 7 und 5. Das Zittersignal (a) wird einer Antriebsschaltung 24 über eine Verschiebungsregelschaltung 22, die nachfolgend beschrieben wird, und eine Verstärkungsregelschaltung 23 zugeführt, wobei die Antriebsschaltung, die Auf-Zu-Elektromagnetventile 14 und 15 antreibt. Wie Fig. 5 und 7 zeigen, hat das Zittersignal (a) eine Kurvenform, in der ein Muster in Zyklen wiederholt wird. Ein Zyklus des Musters enthält ein Paar hohe Bergabschnitte a und c, einen niedrigen Bergabschnitt e, ein Paar tiefe Talabschnitte d und /und einen flacheren Talabschnitt b. Die Höhe P des hohen Bergabschnitts von der Mittelinie O ist gleich der Tiefe DP des tiefen Talabschnitts von der Mittellinie O. Die Tiefe des flachen Talabschnitts b von der Mittellinie O ist beispielsweise die Hälfte der Tiefe DP des tiefen Talabschnitts.

Die Antriebsschaltung 24 erzeugt Antriebsimpulse, siehe F i g. 6A, in Abhängigkeit von der Eingangsspannung mit dem Zittermuster (a). Wie F i g. 6A zeigt, bewirkt eine höhere Spannung entsprechend dem Berg des Zittersignals einen Antriebsimpuls dp mit einer großen Breite, d.h. einem großen Impulsnennverhältnis, und eine niedrigere Spannung vl entsprechend dem Tal des Zittersignals bewirkt einen schmalen Nennimpuls pn mit einem geringen Impulsnennverhältnis. Die Elektromagnetventile 14 und 15 werden deshalb durch die Antriebsimpulse der F i g. 6A in Abhängigkeit von der Spannung des Zittersignals (a) betätigt Wenn die Ventile durch den Impuls mit großer Breite betätigt werden, wird ein mageres Gemisch erzeugt, da mehr Luft eintritt Der schmale impuls ergibt ein fettes Gemisch. Die Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches, das durch den Vergaser zugeführt wird, hat deshalb dasselbe Zittermuster.

Fig.7(a) zeigt die Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches mit dem Zittermuster.

Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches mit der Zitterkurve der F i g. 7(a) von der Linie S des stöchiometrischen Verhältnisses nach der mageren Seite abweicht, siehe F i g. 7(a), ändert sich die Ausgangsspannung des Sauerstoffühlers 17, der die Abgase entsprechend dem Gemisch feststellt, so, wie es in F i g. 7(b) gezeigt ist

Das das kleine Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches entsprechend dem niedrigen Bergabschnitt e des Zittermusters in F i g. 7(a) unter der Linie 5 des stöchiometrischen Verhältnisses liegt, erzeugt der Sauerstofffühler keine Ausgangsspannung für den Abschnitt e. Die Wellenform der F i g. 7(b) ergibt demgemäß keine Wellenform entsprechend dem Abschnitt e. Die Ausgangsspannung enthält jedoch Störungen dSi und dS2, die durch von dem Motor erzeugtes Rauschen bewirkt werden. Die Ausgangsspannung (b) des Sauerstoffühlers wird an die Störungsbeseitigungsschaltung 27 mit einer Differentiationsschaltung über einen Komparator 27a angelegt. Die Schaltung 27 differenziert die Ausgangsspannung des Sauerstoffühlers 19, um das Signal zu erzeugen, das in F i g. 7(c) gezeigt ist.

Eine Normperiodenschaltung 25 ist zum Erzeugen eines Normperiodenimpulszuges vorgesehen. Die Phase der Impulse der Schaltung 25 wird durch eine Verzögerungsschaltung 30 eingestellt, so daß sie mit der Phase des Ausgangssignals des Sauerstoffühlers zusammenfällt, die auch der Phase des Zittersigna's entspricht. Dieser eingestellte Normperiodenimpulszug ist in F i g. 7(d) gezeigt Das Signal der F i g. 7(c) wird mit dem eingestellten Normperiodenimpulszug verglichen, so daß Störungen dsi und dS 2 beseitigt werden, siehe Fig.7(e).

Das Signal der Fig. 7(e) wird einer Beurteilungsschaltung 28 zugeführt. Die Beurteilungsschaltung erzeugt ein Rechteckausgangssignal, siehe F i g. 7(f), durch Triggern mit dem Signal der Fig. 7(e).

Da der niedrige Bergabschnitt e des Gemisches in F i g. 7(a) auf der mageren Seite angeordnet ist, wird ein breiter Abschnitt w mit niedrigem Pegel in dem Beurtei-

lungssignal der F i g. 7(f) gebildet. Die Tatsache, daß das Gemisch sich auf das Signal der F i g. 7(a) auf der mageren Seite bezieht, wird durch den Abschnitt w mit niedrigem Pegel des Signals /festgestellt, das von dem Sauerstoffühler 19 abgegeben wird.

F i g. 9 zeigt ein Beispiel des Beurteilungssignals /'von der Schaltung 28, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches sich am stöchiometrischen Wert befindet Vergleiche hierzu das entsprechende Zittersignal (a), wenn die Mittellinie O zu der stöchiometrischen Linie S verschoben worden ist. Das Beurteilungssignal enthält Impulse a' bis /', von denen jeder dieselbe Impulsbreite hat.

F i g. 10 zeigt ein weiteres Beispiel des Beurteilungssignals /", wenn das Luft-Brennstoff-Gemisch nach der fetten Seite abweicht. Vergleiche hierzu das entsprechende Zittersignal (a), wenn die Mittellinie O zur stöchiometrischen Linie 5 verschoben worden ist. Das Beurteilungssignal /"enthält einen breiten Abschnitt d', e', /'mit hohem Pegel. Wenn die Bergabschnitte des Zittersignals, das dem Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches entspricht, von dem stöchiometrischen Wert abweichen, wird ein Beurteilungssignal mit hohem Pegel ohne den Talabschnitt erzeugt

Das Beurteilungssignal /, /'oder /"wird der Verschiebungssignalerzeugungsschaltung 29 zugeführt, die ein Verschiebungssignal g in Abhängigkeit von der Breite des Abschnitts mit hohem Pegel oder mit niedrigem Pegel des Signals f, /' oder /" erzeugt Das Verschiebungssignal (g) wird der Verschiebungsregelschaltung 22 zugeführt, um das Zittersignal (a) zu verschieben, das von der Zittersignalerzeugungsschaltung 21 in Abhängigkeit davon zugeführt wird, d. h. in Abhängigkeit von der festgestellten Abweichung der Abgase, die wiederum abhängig von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches in dem Ansaugkanal ist

F i g. 8 zeigt ein Beispiel der Änderung der Abweichung des Zittermusters des Gemisches und der Änderung des Ausgangssignals (F i g. 7f) der Beurteilungsschaltung 28. Unter der Annahme, daß das Zittermuster A vollständig von dem stöchiometrischen Verhältnis nach der fetten Seite abweicht, wird ein Ausgangssignal A' mit hohem Pegel ohne den Talabschnitt erzeugt In Abhängigkeit von dem Ausgangssignal A' wird nun das Zittersignal der Schaltung 21 zur mageren Seite über die Verschiebungsschaltungen 29 und 22 verschoben.

Wenn das Zittermuster so angeordnet ist, wie es bei B gezeigt ist, also etwas nach der fetten Seite zu angeordnet ist, wird ein Ausgangssignal B' mit hohem Pegel erzeugt Auf diese Weise wird das nächste von der Schaltung 21 erzeugte Zittersignal um einen Grad in Abhängigkeit von dem Signal B' verschoben. Die Abweichung des Zittermusters des Gemisches wird zur Zeit 11 festgestellt, bevor der Impuls B' vervollständigt wird.

Wenn die Mittellinie O des Zittermusters des Gemisches mit dem stöchiometrischen Verhältnis zusammenfällt, d. h. die Signale C oder die Mittellinie im Bereich zwischen dem niedrigen Bergteil e (F i g. 5) und dem flachen Talteil b angeordnet sind, werden gleichförmige Impulse erzeugt Die Erzeugung eines gleichförmigen Ausgangsimpulses zeigt somit die Tatsache an, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis, das wirksam durch den Sauerstoffühler festgestellt worden ist etwa gleich dem stöchiometrischen Verhältnis ist Auf diese Weise erzeugt die Verschiebungssignalerzeugungsschaltung 29 kein Ausgangssignal, wenn das gleichförmige Eingangssignal ankommt

Die Periode des Zittersignals der Schaltung 21 wird durch die Normperiodenschaltung 25 erzeugt. Die Periode ändert sich in Abhängigkeit von der Motordrehzahl (rpm) durch das Signal, das von einem üblichen Drehzahlfühler in einem Wandler 26 zugeführt wird. Wie Fig.4 zeigt, steigt diese Periode mit ansteigender Motordrehzahl an. Wenn die Motordrehzahl gering ist, ist die Menge der Abgase gering, was bedeutet, daß es schwierig ist, den Sauerstoffgehalt der Abgase mit Genauigkeit festzustellen. Die Periode des Zittersignals steigt durch die Normperiode der Schaltung an, wenn die Motordrehzahl abnimmt. Ein zuverlässiger Regelvorgang im gesamten Motordrehzahlbereich kann somit erreicht werden. Eine Korrigierschaltung 31 ist zur Feineinstellung des Phaseneinslellvörgangs in der Verzögerungsschaltung 30 vorgesehen.

Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Erfindung bei einem Motor angewendet ist, der mit einem Brennstoffinjektionssystem versehen ist. Ein Brennstoff injektor 34 ist an einem Ansaugkrümmer 33 stromabwärts eines Luftfilters 32 vorgesehen. Der Brennstoffinjektor 34 steht mit einem Brennstofftank 35 mit einer (nicht dargestellten) Brennstoffpumpe über eine Leitung 36 in Verbindung. Der Brennstoffinjektor 34 ist wirksam mit einer Regeleinheit 37 verbunden, die das Regelsystem 20 der F i g. 3 aufweist Der Sauerstofffühler 19 und der Geschwindigkeitsfühler 26 sind zum Regeln des Regelsystems 20 vorgesehen. In diesem System wird der Brennstoffinjektor 34 durch das Zittersignal in derselben Weise wie bei der vorangehenden Ausführungsform betätigt, wodurch eine wirksame Emissionsregelung ausgeführt werden kann.

Fig. 12 zeigt ein Beispiel der elektronischen Schaltung des Systems. Die Beurteilungsschaltung 28 enthält einen D-JK-Flip-Flop 40. Der Drehzahlfühler 26 enthält eine Zündspule 41 und einen Verteilerkontakt 42. F i g. 13 zeigt Wellenformen an verschiedenen Stellen in Fig. 12, wobei die Wellenformen Wl bis WlO den Punkten in F i g. 12 entsprechen, die jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sind.

Aus der vorangehenden Beschreibung ergibt sich, daß die Erfindung ein Regelsystem schafft, in dem das geregelte Ausgangssignal, d. h. die Prozeßgröße, veranlaßt wird, durch das Zittersignal in einem Muster zu schwingen, so daß das notwendige minimale Fehlersignal erzeugt werden kann. Auf diese Weise kann eine Änderung des Ausgangssignals schnell auf den gewünschten Wert konvergieren. Andere Zittersignale mit einem verschiedenen Muster als das dargestellte Signal können auch verwendet werden. Wenn ein anderer als ein Sauerstoffühler verwendet wird, der eine lineare Ausgangsspannung hat ist es notwendig, einen Komparator vorzusehen, durch den die Ausgangsspannung mit einem Normpegel verglichen wird, welcher dem stöchiometrisehen Verhältnis entspricht so daß die Ausgangsspannung bei dem Nonnpegel steil geändert werden kann.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. System zum Regeln des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors mit einem Ansaugkanal, mit einem Abgaskanal, mit einer Luft-Brennstoff-Gemisch-Zuführeinrichtung, mit einer Elektromagneteinrichtung zum Korrigieren des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Luft-Brennstoff-Gemisches, das durch die Luft-Brennstoff-Gemisch-Zuführeinrichtung zugeführt wird, mit einer Antriebsschaltung zum Erzeugen eines Antriebsausgangssignals zum Antreiben der Elektromagneteinrichtung, mit einer Feststelleinrichtung, mit einer stellen Kennlinie zum Abtasten der Konzentration eines Bestandteils der durch den Abgaskana! strömenden Abgase und mit einer Einrichtung zum Unterscheiden eines höheren Werts des Signals der Feststelleinrichtung als ein Bezugswert entsprechend dem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis von einem niedrigen Wert, gekennzeichnet durch eine Zittersignalerzeugungsschaltung (21) zum Erzeugen eines Zittersignals mit einem periodischen Muster, das mehrere Bergabschnitte und Talabschnitte aufweist, wobei wenigstens einer der Bergabschnitte niedriger als die anderen Bergabschnitte ist und wenigstens einer der Talabschnitte flacher als die anderen Talabschnitte ist, durch eine Verschiebungsregelschaltung (22) zum Verschieben des Pegels der Mittellinie des Zittersignals, wobei das Ausgangssignal der Verschiebungsregelschaltung (22) der Antriebsschaltung (24) zugeführt wird, durch eine Beurteilungsschaltung (28) zum Beurteilen der Kurvenform des Ausgangssignals der Feststelleinrichtung (19) und zum Vergleichen mit dem periodischen Muster zum Feststellen von bei Abweichung vom stöchiometrischen Verhältnis entfallenen Berg- oder Talabschnitten· und zum Erzeugen eines Beurteilungsiignals entsprechend den festgestellten Abschnitten, durch eine Normperiodenerzeugungsschaltung (25) zum Regeln der Periode des Musters und des Betriebs der Beurteilungsschaltung, durch einen Motordrehzahlfühler (26) zum Abgeben von Signalen an die Normperiodenerzeugungsschaltung (25) zum Verringern der Normperiode, wenn die Motordrehzahl ansteigt, und durch eine Verschiebungssignalerzeugungsschaltung (29) zum Erzeugen eines Verschiebungssignals in Abhängigkeit von dem Beurteilungssignal zum Einstellen der Verschiebungsregelschaltung (22).

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Normperiodenerzeugungsschaltung (25) den Betrieb einer Störungsbeseitigungsschaltung (27) zum Beseitigen der in dem Ausgangssignal der Feststelleinrichtung (19) enthaltenen Störungen steuert.

3. System nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Verzögerungsschaltung (30) zum Einstellen der Phase des Normsignals von der Normperiodenerzeugungsschaltung (25), so daß diese mit der Phase des Signals der Feststelleinrichtung (19) zusammenfällt.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Störungsbeseitigungsschaltung (27) eine Differentiationsschaltung zum Differenzieren des Signals der Feststelleinrichtung (19) und eine Einrichtung (27a,) zum Vergleichen des differenzierten Signals mit dem Normsignal von der Verzögerungsschaltung (30) zum Entfernen eines differenzierten Signals, das nicht dem Normsignal entspricht, enthält