DE2321721A1

DE2321721A1 - Einrichtung zur abgasentgiftung von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2321721A1
Application number: DE2321721A
Authority: DE
Inventors: Peter-J Dipl Ing Schmidt; Josef Dipl Ing Wahl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-04-28
Filing date: 1973-04-28
Publication date: 1974-11-28
Also published as: DE2321721C2; US3900012A

Description

7-3.1973 Ka/Dr ' . - "

^R- I 4 12

Anlage zur

■ct.

ROBERT BOSCH Gf-BPI, Stuttgart

Einrichtung zur Abgasentgiftung von Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von Brennkraftmaschinen mit Hilfe einer Integralverhalten aufweisenden Regeleinrichtung zur Beeinflussung des Massenverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches (/I -Regelung), wobei die Regeleinrichtung durch eine im Abgasstrom der Brennkraftnias chine angeordnete Abgas-Meßsonde angesteuert wird.

Soll bsi einer Brennkraftmaschine das Massenverhältnis des der Brennkraftiraschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgases beeinflußt werden, so geschieht dies in bekannter

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Weise mit Hilfe einer im Abgasstrom der Brennkraftmaschine angebrachten Abgas-r>feßsonde und mit einer Regeleinrichtung, die abhängig vom Ausgangssignal der Abgas-Meßsonde eine aritsprechende Vergrößerung bzw. Verringerung der augenblicklich zugegebenen Xraftstoffmenge zu der zugeführten Luftmenge bewirkt. Es ist bekannt, daß sich diese Veränderung des Massenverhältnisses des Kraftstoff -Luft-Gemisches s:>wohl bei mit Vergasern ausgerüsteten Brennkraftmaschinen als auch bei mit Einspritzanlagen versehenen Brennkraftmaschinen vornehmen, läßt. Die verwendeten Regeleinrichtungen zur Beeinflussung des Massenverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches haben vorzugsweise Integralverhalten, so daß bei längerwährender Abweichung des Sollwertes der Abgas zusammensetzung eine immer stärkere Korrektur des Massenverhältnisses des Kraftstoff-Luft-Gemisches vorgenommen wird. Die bekannten Regeleinrichtungen mit Integralverhalten haben jedoch den Nachteil, daß unabhängig von der Motordrehzahl die gleiche Zeitkonstante des Ihtegralreglers wirksam ist* Da die Hauptverzögerung des Regelkreises aus Abgas-Meßsonde, Regeleinrichtung und Stellglied zur Beeinflussung des Iifessenverhältnisses des Kraftstoff -Luft-Gemisches durch die Totzeit des Gernischdurchlaufs durch die Brennkraftmaschine hervorgerufen wird, muß das Kraftstoff -Luft-Gemisch, das eine bereits veränderte Zusammensetzung hat, erst die vier Arbeitstakte der Brennkraftmaschine durchlaufen, bevor die Abgas-Meßsonde' im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine eine Veränderung der Zusammensetzung des Abgases feststellen kann. Vfird z. B. bei einer mittleren Drehzahl der Brennlcraftmaschine die Integrationszeitkonstante der Regeleinrichtung optimier"';, so wird bei einer niedrigeren Drehzahl der Brennkraftmaschine infolge der längeren Laufzeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch die Brennkraftmaschine die Integration des Reglers zu schnell erfolgen, damit wird aber das Massenverhältnis des Kraftstoff-Luft-Gemisches in zu großem Maße korrigiert und es kommt dadurch zu einer unerwünscht großen Abweichung vom Sollwert in der anderen Richtung. Umgekehrt reagiert bei höheren Drehzahlen der Regler zu langsam und der gewünschte Sollwert wird nur langsam erreicht.

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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde., eine Einrichtung zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Äbgasemission von Brennkraftmaschinen zu schaffen, mit deren Hilfe es möglich ist, eine schnelle und genaue Nachrogelurig des Massenverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches zu erreichen. Dabei soll die Nachregelung bei allen Drehzahlen der Brennkraftmas chine äußerst genau erfolgen. Außerdem soll beachtet werden, daß bei der Einrichtung zur Abgasentgiftung möglichst im Kraftfahrzeug vorhandene Geberelemente für elektrische Signale mitvcrv/endet werden, damit die Einrichtung kostensparend und zweckmäßig aufgebaut v/erden -kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Regeleinrichtung stufenweise in einem vorgegebenen Takt integriert, wobei der Takt durch ein von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängiges Signal bestimmt ist. V/eitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige VJeiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den ünteransprüehen aus der nachfolgenden Besehreibung eines Ausführungsbeispiels und aus den zugehörigen Zeichnungen.

ι Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Abgasentgiftung,

Fig. 2 eine Einrichtung zur stufenweisen Beeinflussung des Kraftstoff-Luft-Gemisches einer Brennkraftmaschine und

Fig. j5 einen Impulsplan zur Erläuterung der Anordnungen nach Fig. 1 und 2.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, der eine Kraftstoff-Aufbereitungseinrichtung 11 zugeordnet ist. Die Kraftstoff-Aufbereitungseinrichtung 11 dient dazu, der Brennkraftmaschine 10 eine bestimmte Menge eines Kraftstoff-Luft-Gemisches zuzumessen. Im Abgasstrom, der von der Brennlrraftmaschine 10 ausgestoßen wird, ist eine Abgas-Meßsonde 12 angeordnet, die ein von der Zusammensetzung des Abgases abhängiges Ausgangssignal liefert. Dieses Ausgangssignal der Abgas-Meßsonde 12 ist an eine

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Regeleinrichtung 13 angelegt, deren Ausgangssignal- die Kraftstoff-Aufbereit\mgseinrichtung so beeinflußt, daß das Massenverhältnis des der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches in Abhängigkeit von der Angaszucammcnsetzung beeinflußt wird, und zwar so, daß ein Minimum an schädlichen Anteilen des Abgases ausgestoßen wird. Die Regeleinrichtung IJ, die Integralverhalten aufweist, beeinflußt die Kraftstoff-Aufbereitungseinrichtung dabei stufenweise, wobei der Takt dieser Stufen durch ein die Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 charakterisierendes Signal bestimmt ist. Dieses drehzahlabhängige Signal kann beispielsweise aus der Zündanlage der Brennkraftmaschine gewonnen werden. Es kann aber auch beispielsweise bei' einer Brennkraftmaschine mit einer Einspritzeinrichtung ein den Einspritzvorgang auslösendes elektrisches Signal verwendung finden. Durch diese stufenweise Integration wird erreicht, daß unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine der Regler je Arbeitstakt eine bestimmte Verstellung des Massenverhältnicses des Kraftstoff -Luft-Gemisches vornimmt. Dadurch ändert sich die Integrationszeitkonstante der Regeleinrichtung also automatisch und paßt sich dabei der augenblicklichen Drehzahl der Brennkraftmaschine an. Dies geschieht praktisch ohne Verzögerung. Die Amplitude der verbleibenden Regelschwingung wird damit für jede Drehzahl der Brennkraftmaschine annähernd gleich bleiben, so daß der Regelkreis ohne größere Schwierigkeiten optimiert werden kann.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Regeleinrichtung dargestellt, die dazu dient, die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches stufenweise vorzunehmen, wobei der Takt der stufenweise Veränderung durch ein drehzahlabliängiges Signal erzeugt wird. Die Regeleinrichtung weist einen Schwellwertschalter lh, eine Schalteinrichtung 15 und einen Regelverstärker 16 auf. Der Schwellwertschalter l4 hat einen Operationsverstärker 17, an dessen ersten Eingang eine Schwellenspannung angelegt ist, die durch einen Spannungsteiler erzeugt wird, wobei der Spannungsteiler ein zwischen eine Pluszuleitung 18 und eine Minuszuleitung 19 geschalteter Widerstand ist, dessen Abgriff an den Eingang des Operationsverstärkers 17 angeschlossen ist. Mit einem zweiten Eingang des Operationsverstärkers 17 ist die Ab-

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eas-Meßsonde 12 verbunden. Ih Pig. 3a ist der Verlauf der Ausgangsspannung di?r Abgas-Ifeßsonde 12 über der Zeit t aufgetragen. Mit unterbrochenen Linien ist die mit Hilfe des Widerstandes 20 eingestellte Schwellenspannung eingezeichnet. Überschreitet die Ausgangsspannung der Abgas-Meßsonde 12 die Schwellenspannung, so nimmt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers den in Fig. 3*> bei 21 angedeuteten Wert an,und liegt .die Sondenspannung unterhalb der Schwellenspannung, dann liegt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 17 auf dem in Fig. 3b bei 22 angedeuteten Wert.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 17 des Sehwellwerts charters 14 ist über einen Widerstand 23 mit den Basen zweier Transistoren 24 und 25 verbunden. Die Transistoren 24 und 25 sind Bestandteil der Schalteinrichtung 15, die weiterhin einen Schalttransistor 26 aufweist. Die Bezugselektrode des Schalttransistors 26 ist mit dem Abgriff eines Spannungsteilers aus Widerständen 27 und 28 verbunden, wobei der Widerstand 27 einseitig an die Pluszuleitung 18 und der Widerstand 28 einseitig an die Minuszuleitung 19 angeschlossen ist. Die Ausgangselektrode des Schalttransistors 26 ist mit den Basen der Transistoren 24 und 25 verbunden. Die Emitter der Transistoren 24 und 25 sind an je einen Abgriff eines Spannungsteilers angelegt, der Widerstände 29, 30 und 31 aufweist. Der Widerstand 29 ist dabei mit der Pluszuleitung l8 und der Widerstand 31 mit der Minuszuleitung 19 verbunden. Der Emitter des Transistors 24 ist an den Verbindungspunlct der Widerstände 29 und 30 und der Emitter des Transistors 25 anöden Verbindungspunkt der Widerstände 30 und 31 angeschlossen. Die Kollektoren der beiden Transis boren 24 und 25 sind untereinander verbunden und über einen Widerstand 32 an einen ersten Eingang eines zu dem Regelverstärker gehörenden Operationsverstärkers 33 angeschlossen. Der Operationsverstärker 33 weist zwischen seinem Ausgang und seinem ersten Eingang einen Integriei*kondensator 3^ auf, der dem Regelverstärker 16 Integralverhalten gibt. An den zweiten Eingang des Operationsverstärkers 33 ist der Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen 27 und 28 angeschlossen. Am Ausgang des Operationsverstärkers 33 ist eine Korrekturspannung abzunehmen, die zur Beeinflussung der Kraftstoff-Aufbereitungsanlage dient. Beispielsweise kann

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Kit dieser Spannung ein Stellglied verändert werden, das einen Vergaser so beeinflußt, daß das Massenverhältnis, des Kraftstoff-Luft-Gemisches verändert wird. Das Stellglied kann aber auch ein einfacher Widerstand sein, der in einem elektronischen Steuergerät einer elektronisch gesteuerten Benzineinspritzeinrichtung angeordnet ist. Durch Veränderung der -Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 33 kann damit beispielsweise die Öffnungsdauer der Einspritzventile und damit die Kraftstoffmenge des Kraftstoff-Luft-Gemisches für die Brennkraftmaschine 10 geändert werden kann.

Der Sehalttransistor 26 der Schalteinrichtung 15 wird über einen Widerstand von einer monostabilen Kippstufe J6 angesteuert. Diese mbnostabile Kippstufe 36 wird von einem Taktsignal ausgelöst, das beispielsweise aus einem Zündsignal einer Zündanlage der Brennkraftmaschine 10 oder aus Einspritzimpulsen der Brennkraftmaschine 10 gewonnen werden kann. Die Taktimpulse, die der monostabilen Kippstufe 36 zugeführt werden, sind in Fig. 3° dargestellt.' Die dazugehörigen Ausgangsimpulse der monostabilen Kippstufe zeigt Fig. 3d und das entsprechends Ausgangssignal am Ausgang des-Operationsverstärkers zur stufenvieisen Korrektur des Massenverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches ist in Fig. 3e dargestellt.

Die Uii-kungsweise der beschriebenen Schaltanordnung ist folgende. Es soll agenomrnen werden, daß der Transistor 26 zunächst sperrt, weil die Ausgangsspannung am Ausgang der monostabilen Kippstufe 36 kleiner ist als die über dem Widerstand 28 und damit an dem Emitter des Schalttransistors 26 anliegende Spannung. Liegt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 17 auf dem in Fig. 3b bei 21 angedeuteten Wert, ist also positiv, dann ist der Transistor 24 über die Kollektor-Basis-Diode leitend und über den Widerstand 32 fließt ein Strom zu dem ersten Eingang des Operationsverstärkers Wegen der Rückkopplung des Ausgangssignales des Operationsverstärkers 33 über den Integrierkondensator J>k auf den ersten Eingang des Operationsverstärr kers 33 erfolgt eine lineare Änderung der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 33. Wird jetzt der Schalttransistor 26 durch Änderung des Aus-■ganBSSignales der monostabilen Kippstufe 36 leitend gemacht, so wird die

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Basisspannung der Transistoren 2k und 25 auf einen Wert eingestellt, der in der Mitte zwischen den beiden jeweiligen Emitterspannungen liegt. Dadurch werden die beiden Transistoren 2''4 und 25 gesperrt. Infolgedessen fließt über den Widerstand kein Strom mehr zu dem Eingang des Operationsverstärkers 33 u;id der Integrationsvorgang wird unterbrochen, so daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 33 so lange auf dem gerade erreichten Wert stehen bleibt, bis durch das Sperren des Schalttransistors 26 wieder einer dc?r beiden Transistoren 2¹J bzw. 25 leitend werden kann. Dadurch wird in der einen oder anderen Richtung weiter integriert, so daß das Korrektursignal am Ausgang des Operationsverstärkers 33 weiter anwächst oder fällt. Das Umsteuern des Schalttransistors 26 in den leitenden bzw. nichtleitenden Zustand wird, wie bereits angedeutet, durch eine monostabile Kippstufe gesteuert, die von einem Taktgeber, beispielsweise der Zündeinrichtung der Brennkraftmaschine 10 angesteuert wird. Jedes Taktsignal, beispielsweise jedes Zündsignal oder jeder Einspritzimpuls, löst die monostabile Kippstufe aus, so daß die Kippstufe jeweils einen Impuls bestimmter Dauer auf die Basis des Schalttransistors 26 gibt. Damit kann der eben beschriebene Integrationsprozeß in der gewünschten Stufenform ablaufen. Mit der Ausgangsspannung des Regelverstärkers 16 bzw. des Operationsverstärkers 33 wird dann die gewünschte Korrektur des Massenverhältnisses des Kraftstoff-Luft-Gemisches durchgeführt, wobei dies beispielsweise durch proportionales Verlängern oder Verkürzen von Einspritzimpulsen von elektronisch gesteuerten Benzineinspritzeinrichtungen oder durch proportionales Verändern eines Düsenquerschnittes in Vergasern von Brennkraftmaschinen erfolgen kann.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann ein Widerstand ^O vorgesehen sein, der einerseits mit dem Widerstand 23 Ver-

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bindung hat und der andererseits an den Zugang des Operationsverstärkers 33 angeschlossen ist, an den auch der zusammen mit dem Widerstand 32 die Integrationszeitkonstante bestimmende Ir.tegrierkondensator 34 angeschlossen ist.

Während das ohne den Widerstand 40 aufgebaute Ausführungsbeispiel für viele Anwendungsfälle vollkommen zufriedenstellend arbeitet, kann es bei einigen Anwendungsfällen vorkommen, daß die Integrationszeit der Regeleinrichtung in zu starkem Maße von dem nur korrigierend benötigten Eini'luß der Drehzahl und/oder der Last abhängt. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn sich die Drehzahl und/oder die Last in einem sehr weiten Bereich ändern.

Mit Hilfe des Widerstandes 40 wird erreicht, daß in den ■Pausenzeiten zwischen zwei Impulsen der Regelverstärker 16 weiter integriert, so daß das Korrektursignal am Ausgang des Operationsverstärkers auch während der Pausenzeit zwischen zwei Impulsen weiter anwächst oder fällt. Da der Widerstandswert des Widerstandes 40 groß gegenüber dem Widerstandswert des Widerstandes 32 gewählt ist, wird aber die Änderung des Ausgangssignales des Operationsverstärkers 33 langsamer, d. h. mit einer größeren Zeitkonstante erfolgen. Dadurch ergibt sich zusätzlich der Vorteil, daß bei einem Umschalten des Schwellwertschalters 14 während einer Impulspause die Integrationsrichtung des Regelverstärkers 16 sofort und nicht erst bei Eintreffen eines neuen Impulses geändert wird, so daß die Totzeit des Regelkreises weiter verkürzt wird. Der Spannungsverlauf, der bei einer Schaltungsanordnung mit dem Widerstand am Ausgang des Operationsverstärkers 33 auftritt, ist in Fig. 3f dargestellt. Aus diesem Diagramm geht hervor, daß sich das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 33 während der Impulszeiten stärker, d.h. mit kleinerer Zeitkonstante ändert, während in den Impulspausen eine langsamere Änderung, d. h. eine Änderung mit kleinerer Zeitkonstante erfolgt.

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Claims

Ansprüche

1. Einrichtung.zur Vermindsrung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von'Brennkraftmaschinen mit Hilfe einer Integralverhalten aufweisenden Regeleinrichtung zur Beeinflussung des Massenverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches (λ -Regelung), wobei die Regeleinrichtung durch eine im Abgasstrom der Brennkraftmaschine angeordnete Abgas-Meßsonde angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung stufenweise in einem vorgegebenen Takt integriert, wobei der Takt durch ein von der Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine (10) abhängiges Signal bestimmt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den durch den Takt vorgegebenen Integrations3tufen die Regeleinrichtung (13) mit einer Zeitkonstante integriert, die gegenüber der wirksamen Zeitkonstante während der durch den Takt vorgegebenen Integrationsstufen vergrößert ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgas-Meßsonde (12) an einen Schwellwertschalter. (1*1) angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal über eine Schalteinrichtung (15) an einen Regelverstärker (16) angelegt ist, der mit einem das Massenverhältnis des Kraftstoff-Luft-Gemisches verändernden Stellglied verbunden ist. *

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4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang des Schwellwertschalters und den Eingang des als I'ntegrierer geschalteten Regelverstärker (16) ein die Zeitkonstante des Regelverstärker (¹IO) beeinflussender Widerstand geschaltet ist.

5· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis ¹I, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (15) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal einer monostabilen Kippstufe (36) umschaltbar ist, wobei die monostabile Kippstufe (36) von Signalen auslösbar ist, die von der Drehzahl der Brennkraftmaschine (10) abhängig sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösung des Integriervorganges mit kleinerer Zeitkonstante durch ein Steuersignal erfolgt, das synchron zu einem Einspritzsignal von einem Steuergerät einer elektronisch gesteuerten Benzineinspritzeinrichtung abgegeben wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Integriervorganges durch das Steuersignal der Steuereinrichtung der elektronisch gesteuerten Benzineinspritzeinrichtung bestimmt ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekenn-

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zeichnet, daß mit dem Ausgang der monostabileri Kippstufe (36) die Steuerelektrode eines Schalttransistors (26) verbunden ist, der den Schaltzustand von zwei Transistoren (24, 25) beeinflußt, deren Steuerelektroden insbesondere über einen Widerstand (23) mit dem Ausgang des Schwellwertschalters (I¹I) und dessen Ausgangselektroden mit einem Eingang des Regelverstärkers (16 bzw. 33) verbunden sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektroden der Transistoren (24, 25) mit einem drei Widerstände (29, 30, 31) aufweisenden Spannungsteiler verbunden sind, wobei die Bezugselektrode des ersten Transistors (2¹O an den Verbindungspunkt des ersten (29) und zweiten Widerstandes (30) und die Bezugselektrode des zweiten Transistors (25) an den Verbindungspunkt des zweiten (30) und dritten V/iderstandes (31) angeschlossen ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (¹IO) einerseits an den Verbindungspunkt des Widerstandes (23) und der Steuerelektroden der Transistoren (2¹I, 25) und andererseits an den Eingang des Operationsverstärkers (33) angeschlossen ist.

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