DE2116097B2 - Vorrichtung zur Regelung der Luftzahl λ des einer Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches - Google Patents

Vorrichtung zur Regelung der Luftzahl λ des einer Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung der Luftzahl λ des einer Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches, mit einer im Abgas der Brennkraftmaschine .angeordneten, auf den Sauerstoffgehalt im Abgas ansprechenden Abgasmeßsonde, die einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten aufweist und mit einer elektronischen Regelschaltung zur Regelung der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches verbunden ist.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 10 793 bekannt.
Dort ist im Auspuffrohr der Brennkraftmaschine eine Meßsonde für die Kohlenmonoxid-Partialdruck angebracht. Die Kraftstoffzumessung bei einem Vergaser oder bei einer Einspritzanlage wird in Abhängigkeit vom Kohlenmonoxidgehalt der Abgase geregelt. Dabei wird davon ausgegangen, daß im Bereich von λ = 0,8—1,2 sich der Kohlenmonoxidgehalt in Abhängigkeit von λ annähernd linear ändert (Dieser Zusammenhang ist auch der Druckschrift MTZ 1967, Seite 402 zu entnehmen). Ab der Luftzahl λ = 1 ändert sich jedoch der Kohlenmonoxidgehalt nur noch wenig, so daß in diesem Bereich nicht mehr mit der gewünschten Linearität des Ausgangssignals zu rechnen ist und eine Regelung in diesem Bereich problematisch wird. Die bei der bekannten Einrichtung gewonnene Korrekturgröße ist proportional der Sondenausgangs-Spannungsänderung, die über ein gegenkoppelndes Rückführpotentiometer nach erfolgter Korrektur der Einstellung der Gemischverstelleinrichtung wieder kompensiert wird. Die Einregelung erfolg: somit in nachteiliger Weise relativ träge. Zudem ist das proportionale Ausgangssignal der dort beschriebenen Meßsende entsprechend der anzusetzenden Nerust'-schen Gleichung proportional der absoluten Temperatur, also stark von Umwelteinflüssen abhängig. Dieses Verhalten des Ausgangssignals verschlechtert erheblich die Einregelgenauigkeit auf die gewünschte Luftzahl. Es ist weiterhin z. B. durch die DE-OS 15 76 306 bekannt, zur genauen Abtastung eines Werts eines sich analog ändernden Signals einen Schwellwertschalter zu verwenden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung mit einer dazugehörenden elektronischen Regelschaltung zu schaffen, mit der unabhängig von Temperatur- und anderen Umwelteinflüssen eine Luftzahl, die bei λ = 1 liegt sehr genau einhaltbar ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß das Ausgangssignal der Abgasmeßsonde bei einer Luftzahl von λ = 1 einen Spannungssprung aufweist und der Abgasmeßsonde ein auf den Spannungssprung ansprechender Schwellwertschalter nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit der Regelschaltung verbunden ist.
Es bietet sich dabei der wesentliche Vorteil, daß zum einen die Lage des Spannungssprungs in bezug auf die Luftzahl bzw. in bezug auf den Sauerstoffgehalt im Abgas unabhängig von der Temperatur und sonstigen Umwelteinflüssen ist und daß zum anderen dieser Spannungssprung mit großer Sicherheit von einem Schwellwertschalter erfaßbar ist, der mit seinem Ausgangssignal angibt, ob der im Bereich des Spannungssprungs liegende Lambdawert überschritten oder unterschritten ist. Man erhält durch die erfindungsgemäße Ausführung einen genauen Regelpunkt und ein sehr schnell wirkendes Korrektursignal am Ausgang des Schwellwertschalters.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist zwischen der Abgasmeßsonde und dem Schwellwertschalter ein Tiefpaß eingefügt, durch den verhindert wird, daß kurzzeitige Abweichungen des Eingangssignals am Schwellwertschalter vom dort eingestellten Schwellwert sich sofort auf die Regelung auswirken, was zu einem zu häufigen Schalten des Schwellwertschalters führen würde und die Regelung instabil machen würde. Aufgrund der sehr kurzen Ansprechzeit der Meßsonde von nur sehr wenigen Millisekunden würde sich ihr Ausgangssignal ζ. Β. während des Auslaßvorgangs eines einzelnen Zylinders stark ändern. Diese Schwankungen des Ausgangssignals infolge von Inhomogenitäten der Abgase werden dann durch den Tiefpaß ausgefiltert, so daß nur der mittlere Sauerstoff-Partialdruck in der Regelschaltung erfaßt wird. Durch die in weiteren Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels,
Fig.2 ein Blockschaltbild eines zveiten Ausführungsbeispiels,
F i g. 3 einen Schaltplan eines dritten Ausführungsbeispiels,
Fig.4 Diagramm des Steuerspannungsverlaufs der Sauerstoff-Meßsonde,
F i g. 5 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise aller Ausführungsbeispiele.
Beim ersten Ausfühiungsbeispiel nach F i g. 1 ist in einem Auspuffrohr 20 eine Sauerstoff-Meßsonde 21 vorgesehen. Das Ausgangssignal der Sauerstoff-Meßsonde 21 wird einer Reihenschaltung zugeführt, die in dieser Reihenfolge aus einem Tiefpaß 22, einem Schwellwerts -halter 23 und einem Regelhubbegrenzer 25 besteht Zwischen dem Ausgang des Sciiwellwertschalters 23 und dem Eingang des Tiefpasses 22 liegt eine Rückführungsschaltung 24, die eine Tiefpaßcharakteristik aufweist In bekannter Weise ist eine Einspritzanlage vorgesehen, die wenigstens ein in einem Saugrohr 29 angebrachtes Einspritzventil 28 enthält
Das Einspritzventil 28 wird von einem Leistungsverstärker 27 angesteuert. Dem Leistungsverstärker 27 ist ein Steuermultivibrator 30 bekannter Bauart orgeschaltet, der einen Steuereingang und drei Korrektureingänge 314, 315, 316 aufweist und die Einspritzdauer des Einspritzventils bestimmt Korrekturgröße ist gemäß vorliegender Erfindung der Sauerstoffpartialdruck in den Abgasen. Am Steuereingang ist ein synchron zur Kurbelwellendrehzahl der Brennkraftmaschine betätigbarer Auslöseschalter 26 und am Korrektureingang 314 der Regelhubbegrenzer 25 angeschlossen.
Während das erste Ausführungsbeispiel zur Ansteuerung einer Saugrohr-Einspritzanlage Verwendung findet, zeigt das zweite Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 eine Anwendung bei einer Vergaser-Brennkraftmaschine. Der Vergaser ist symbolisch dargestellt durch eine Drosselklappe 49 und eine Vergaserdüse 52, weiche beide im Saugrohr 29 angebracht sind. In Strömungsrichtung hinter dem Vergaser mündet in das Saugrohr 29 ein Zusatzluft-Ansaugrohr 51, in dem eine Zusatzluft-Drosselklappe 50 zur Beeinflussung der Luftzahl λ mit Hilfe von Zusatzluft angebracht ist. Die Zusatzluft-Drosselklappe 50 wird von einem Leistungsverstärker 47 über ein Stellglied 48 betätigt. Zwischen dem Tiefpaß und dem Leistungsverstärker 47 liegt ein Regelverstärker 45, der galvanisch über einen Widerstand 451 gegengekoppelt ist und wie beim ersten Ausführungsbeispiel die Eigenschaft eines Schwellwertschalters aufweisen kann.
Am zweiten Eingang des Regelverstärkers 45 ist ein Sollwertgeber 46 angeschlossen, der wiederum als Spannungsteiler ausgebildet ist und eine feste Bezugsspannung abgibt.
In F i g. 3 ist der Schaltplan eines dritten Ausführungsbeispiels angegeben, das im Auspuffrohr 20 außer der Sauerstoff-Meßsonde 21 ein zur Temperaturkorrektur dienendes Thermoelemenl 80 aufweist. Das dritte Ausführungsbeispiel enthält als Hauptbaugruppen den Tiefpaß 22, einen Differenzverstärker 81, einen Regelverstärker 83, einen Schwellwertschalter 82, einen Regelhubbegrenzer 84 und einen Schaltverstärker 85. Der Tiefpaß 22 ist beim dritten Ausführungsbeispiel als aktiver Tiefpaß mit einem Operationsverstärker 221 ausgebildet Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 221 liegt am Abgriff eines aus zwei Widerständen 224, 225 bestehenden Spannungsteilers und der invertierende Eingang liegt am Ausgang der Sauerstoff-Meßsonde 21. Die Tiefpaßcharakteristik wird dadurch erzielt daß im Gegenkopplungspfad des Operationsverstärkers 221 eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 223 und einem Widerstand 222 angeordnet ist
An das Thermoelement 80 ist der invertierende Eingang des Differenzverstärkers 81 angeschlossen, während der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers 81 am Abgriff eines Spannungsteilers 811, 812 liegt Die Ausgänge der beiden Operationsverstärker 2?1, 81 sind über je einen Widerstand 835, 836 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 830 angeschlossen, der das aktive Bauelement des Regelverstärkers 83 bildet Der Operationsverstärker 830 ist über einen Widerstand 831 gegengekoppelt so daß er die Charakteristik eines Proportionalreglers aufweist. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 830 liegt über einen Widerstand 832 am Abgriff eines Spannungsteilers 833,834. Der Regelhubbegrenzer 84 besteht aus einem Trimmwiderstand.
Der Schwellwertschalter 82 ist als über einen Widerstand 821 positiv rückgekoppelter Operationsverstärker 820 ausgebildet Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 820 ist über einen Widerstand 823 an den Ausgang des Differenzverstärkers 81 angeschlossen. Der nichtinvertierende Eingang liegt über einen Widerstand 822 an einem Spannungsteiler 824, 825. Mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 820 ist ein Schaltverstärker 85 verbunden, der zur Betätigung eines Umschalters 96 dient
Der Ausgang des Umschalters 86 ist an den Korrektureingang 314 des Steuermultivibrators 30 angeschlossen. Der erste Eingang des Umschalters 86 ist mit dem Regelhubbegrenzer 84, und der zweite Eingang des Umschalters 86 ist mit dem Abgriff eines Spannungsteilers 87,88 verbunden.
In F i g. 5 ist die Zusammensetzung der Motorabgase in Abhängigkeit von der Luftzahl λ angegeben. Die Kurven 96, 97, 98, 99 geben in dieser Reihenfolge den Gehalt der Abgase an Stickoxiden NO, unverbrannten Kohlenwasserstoffen CH, Kohlenmonoxid CO und -dioxid CO2 wieder. Der Kohlenmonoxidgehalt und der Kohlendioxidgehalt sind in Prozenten, der Kohlenwasserstoffgehalt und der Stickoxidgehalt in ppm, d. h. in Teilen pro Million, angegeben.
Aus F i g. 5 sieht man, daß es keine Luftzahl λ gibt, bei der alle drei schädlichen Komponenten der Abgase, nämlich Stickoxide 96, unverbrannte Kohlenwasserstoffe 97 und Kohlenmonoxid 98 gleichzeitig einen Minimalwert annehmen. Es gibt daher zwei prinzipielle Möglichkeiten zur Abgasentgiftung. Man kann entweder eine Luftzahl λ einregeln, die sehr nahe bei 1,0 liegt, weil bei dieser Luftzahl sowohl der Kohlenmonoxidgehalt als auch der Gehalt an unverbrarinten Kohlenwasserstoffen minimal ist. Gleichzeitig tritt ein Maximum der Stickoxiddemission auf, so daß es erforderlich ist, an das Auspuffrohr einen Reaktor mit einem Katalysator zur Umsetzung der Stickoxide anzuschließen. Die andere Möglichkeit besteht darin, entweder mit einem sehr fetten Gemisch (Luftzahl ca. 0,8 und 0,9) oder mit einem sehr mageren Gemisch (Luftzahl etwa bei 1,4) zu fahren. In diesem zweiten Fall ist es erforderlich, an das Auspuffrohr einen sogenannten Thermoreaktor zu
schließen, in dem die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid nachträglich verbrannt werden.
Der katalytische Reaktor für die Umsetzung der Stickoxide hat den Vorteil, daß im ganzen gesehen ungiftigere Abgase abgegeben werden als beim Thermoreaktor. Der konstruktive Aufwand ist allerdings höher und der katalytische Reaktor muß häufiger gewartet werden. Demgegenüber hat der Thermoreaktor den Vorteil des billigen Aufbaus, ermöglicht aber keine so weitgehende Entgiftung der Abgase.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß man entweder einen einfachen Thermoreaktor für die Abgasnachverbrennung einsetzen kann oder aber, wenn ein katalytischer Reaktor erforderlich wird, nur einen sogenannten »Einbettkatalysator« benötigt. Der Einbettkatalysator enthält nur eine einzige katalytisch wirksame Substanz zur Reduktion der Stickoxide. Bei bekannten Vorrichtungen sind dagegen Abgasreaktoren erforderlich, die nicht nur ein, sondern mehrere Katalysatorbetten enthalten.
Beim ersten Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 wird der bei der Luftzahl λ = 1,0 auftretende Sprung von U\ auf Ö2 in der Ausgangsspannung 67 (s. Fig.4) der Sauerstoff-Meßsonde 21 ausgenützt und dazu verwendet, die Luftzahl möglichst genau auf den Wert 1,0 einzuregeln. Im Blockschaltbild nach Fig. 1 ist zur Steuerung der Einspritzzeit bzw. der Kraftstoffeinspritzmenge ein Steuermultivibrator 30 vorgesehen. Die Impulszeit des Steuermultivibrators 30 wird z. B. auf JO einen Wert festgelegt, der etwas zu klein ist. so daß z. B. normalerweise die Luftzahl λ = 1,02 erreicht würde. Der Sauerstoffgehalt in den Abgasen wird dadurch zu hoch und das Ausgangssignal der Sauerstoff-Meßsonde 21 überschreitet die Schwellspannung des Schwellwert- v> schalters 23. Der Schwellwertschalter 23 gibt nach Überschreiten seiner Schwellspannung ein Ausgangssignal ab, das über den Regelhubbegrenzer 25 auf den Korrektureingang 314 oder den Korrektureingang 316 des Steuermultivibrators 30 gegeben werden kann und 4« dessen Impulsdauer um einen festen Betrag vergrößert, und zwar so weit, daß eine Luftzahl λ von etwa 0,98 erreicht wird. Dadurch nimmt der Sauerstoffpartialdruck im Auspuffrohr 20 wieder ab und das Ausgangssignal der Sauerstoff-Meßsonde 21 unterschreitet die 4"> Schwellspannung des Schwellwertschalters 23, so daß dieser wieder zurückgestellt wird.
Beim ersten Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 handell es sich also um eine Zweipunktregelung. Die Luftzahl λ wird dauernd z. B. von 0,98 auf 1,02 und wieder zurück verstellt. Die Rückführungsschaltung 24, die eine Tiefpaßcharakteristik aufweist, dient dazu, das Ausgangssignal 23 wieder auf den Eingang zurückzuführen und so die Regelabweichung der Gesamtschaltung zu verringern. Der Regelhubbegrenzer 25 läßt nur eine bestimmte maximale Veränderung des Stellglieds, in diesem Fall der Impulszeit, zu und kann z. B. als Trimmwiderstand ausgebildet werden, wie es in F i g. 3 beim Regelhubbegrenzer84 dargestellt ist.
Beim dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird eine zur Abgastemperatur proportionale Spannung über den Widerstand 823 dem Schwellwertschalter 82 zugeführt, so daß über den Umschalter 86 die ganze Regelvorrichtung abgeschaltet werden kann, solange die Brennkraftmaschine noch kalt ist. In diesem Fall wird dem Korrektureingang 314 des Steuermultivibrators 30 die konstante Abgriffsspannung des Spannungsteilers 87,88 zugeführt.
Diese Abschaltung der Regelvorrichtung bei kalter Brennkraftmaschine ist deshalb zweckmäßig, weil die Sauerstoff-Meßsonde 21 eine Betriebstemperatur von etwa 7000C benötigt, wenn ihre Ausgangsspannung genau die mit der Kurve 67 dargestellte Abhängigkeil vom Sauerstoffpartialdruck aufweisen soll. Die Abschaltvorrichtung mit dem Schwellwertschalter 82, dem Schaltverstärker 85 und dem Umschalter 86 kann man einsparen, wenn man die Sauerstoff-Meßsonde 21 in anderweitig vorgeschlagener Weise mit einer zusätzlichen elektrischen Heizung versieht, so daß auch bei kalter Brennkraftmaschine die erforderliche Betriebstemperatur sicher erreicht wird.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen eine exakte Regelung der Luftzahl λ sowohl für fette als auch für magere Kraftstoff-Luft-Gemische. Es ist ohne weiteres möglich, Schaltungsmerkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander zu kombinieren. Als Beispiel sei hier nur genannt, daß die Abschaltung bei niederer Temperatur nach F i g. 3 für alle Ausführungsbeispiele anwendbar ist und daß es bei allen Ausführungsbeispielen möglich ist, Rückführungsschaltungen 24 nach F i g. 1 einzusetzen, um den Regelhub und die Regelfrequenz zu begrenzen.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Regelung der Luftzahl λ des einer Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches, mit einer im Abgas der Brennkraftmaschine angeordneten, auf den Sauerstoffgehalt im Abgas ansprechenden Abgasmeßsonde, die einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten aufweist und mit einer elektronischen Regelschaltung zur Regelung der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Abgasmeßsonde (21) bei einer Luftzahl von A=I einen Spannungssprung aufweist und der Abgasmeßsonde ein auf den Spannungssprung ansprechender Schwellwertschalter (23) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit der Regelschaltung verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert des Schwellwertschalters (23) zur Erfassung des Spannungssprungs auf einem Spannungswert zwischen den Endspannungen (U], i/2) des Sprungs liegt
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schwellwertschalter ein Regclhubbegrenzer (25) nachgeschaltet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Abgas-Meßsonde (21) und dem Schwellwertschalter (23) ein Tiefpaß (22) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Schwellwertschalters (23) und dem Eingang des Tiefpasses (22) eine Rückführschaltung (24) mit Tiefpaßcharakteristik liegt.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Abgasen der Brennkraftmaschin«; ausgesetzter Temperaturfühler (80) vorgesehen ist, dem ein zweiter Schwellwertschalter (82) nachgeschaltet ist, durch den eine LJmschalteinrichtung (86) betätigbar ist, durch welche der Eingang der Regelschaltung bei Unterschreiten des am zweiten Schwellwertschalter (82) einstellbaren Temperaturschwellwertes auf eine fest einstellbare Steuerspannung umschaltbar ist.
DE2116097A 1966-12-07 1971-04-02 Vorrichtung zur Regelung der Luftzahl λ des einer Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches Ceased DE2116097B2 (de)

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