DE2321721C2 - Einrichtung zur Minderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von Brennkraftmaschinen - Google Patents
Einrichtung zur Minderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von BrennkraftmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von
Brennkraftmaschinen mit Hilfe einer Integralverhaiten aufweisenden und eine Integriereinrichtung enthaltenden
Regeleinrichtung zur Beeinflussung des Massenverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten
Kraftstoff-Luft-Gemisches (Lambda-Regelung) wobei die Regeleinrichtung durch eine dem Abgas der
Brennkraftmaschine ausgesetzte Abgasmeßsonde gesteuert wird und eine Steuereinrichtung vorgesehen ist
die in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ein Taktsignal erzeugt, durch das die
Integriereinrichtung derart steuerbar ist, daß in einem vorgegebenen Takt ein stufenweises Integrieren der
Integriereinrichtung erfolgt.
Eine solche Einrichtung ist durch die ältere Patentanmeldung DE-AS 22 51 167 bekanntgeworden. Mit dem
Gegenstand dieser Patentanmeldung werden Nachteile vermieden, die sich aus der Anwendung einer z. B. durch
die DE-OS 2010 793 bekannten Einrichtung zur Beeinflussung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in Abhängigkeit
von der Zusammensetzung des Abgases ergeben haben. Bei dieser Einrichtung wird mit Hilfe einer im
Abgasstrom der Brennkraftmaschine angebrachten Abgas-Meßsonde und mit einer Regeleinrichtung, die
abhängig vom Ausgangssignal der Abgas-Meßsonde eine entsprechende Vergrößerung bzw. Verringerung
der augenblicklich zugegebenen Kraftstoffmenge zu der zugeführten Luftmenge bewirkt. Es ist bekannt, daß sich
diese Veränderung des Massenverhältnisses des Kraftstoff-Luft-Gemisches sowohl bei mit Vergasern ausgerüsteten
Brennkraftmaschinen als auch bei mit Einspritzanlagen versehenen Brennkraftmaschinen vornehmen
läßt. Die verwendeten Regeleinrichtungen zur Beeinflusiung des Massenverhältnisses des der Brennkraftmaschine
zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches haben vorzugsweise Integralverhalten, so daß bei
längerwährender Abweichung des Sollwertes der Abgaszusammensetzung 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 Integralreglers wirksam ist. Da die Hauptverzögerung des Regelkreises aus
Abgas-Meßsonde, Regeleinrichtung und Stellglied zur Beeinflussung des Massenverhältnisses des Kraftstoff-Luft-Gemisches
durch die Totzeit des Gemischdurchlaufs 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. Wird z. B. bei
einer mittleren Drehzahl der Brennkraftmaschine die Integrationszeitkonstante der Regeleinrichtung optimiert,
so wird bei einer niedrigeren Drehzahl der Brennkraftmaschine infolge der längeren Laufzeit des
Kraftstoff-Luft-Gemisches durch die Brennkraftmaschi-
ne 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
Bei der eingangs genannten Einrichtung kann es bei einigen Anwendungsfällen vorkommen, daß die Integrationszeit
der Regeleinrichtung in zu starkem Maße von dem nur korrigierend benötigten Einfluß der
Drehzahl abhängt So kann eine Änderung der Gemischzusammensetzung, die von der Abgasmeßsonde
bereits verzögert wahrgenommen wird, erst wieder bei Auftreten eines nächsten Integrationsimpulses
berücksichtigt werden. Dies vergrößert die Totzeit des Regelkreises.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Verminderung von schädlichen Anteilen
der Abgasemission von Brennkraftm-schinen zu schaffen, mit deren Hilfe es möglich ist eine schnelle und
genaue Nachregelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses
des der Brennkraftmaschine ^geführten Betriebsgemisches zu erreichen, wobei die Schnelligkeit der
Nachregelung der Drehzahl der Brennkraftmaschine angepaßt ist und die Totzeit so klein wie möglich
gehalten wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen den durch den Takt vorgegebenen
Integrationsstufen die Regeleinrichtung mit einer Zeitkonstanten integriert, die gegenüber der wirksamen
Zeitkonstante während der durch den Takt vorgegebenen Integrationsstufe vergrößert ist
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß eine Änderung der Gemischzusammensetzung bereits in den
Pausen zwischen den eigentlichen Integrationstakten der Integriereinrichtung berücksichtigt wird und sich
dort die Integrationsrichtung sofort und nicht erst beim nächstfolgenden [ntegrationstakt geändert wird. Damit
verkürzt sich die Totzeit des Regelkreises.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in
Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und
aus den zugehörigen Zeichnungen. Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Abgasentgiftung,
Fig.2 eine Einrichtung zur stufenweisen Beeinflussung
des Kraftstoff-Luft-Gemisches einer Brennkraftmaschine und
Fig. 3 einen Impulsplan zur Erläuterung der Anordnungen nach F i g. 1 und 2.
In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt,
der eine Kraftstoff-Aufbereitungseinrichtung Il zugeordnet ist. Die Kraftstoff-Aufbereitungseinrichtung
11 dient dazu, der Brennkraftmaschine 10 eine bestimmte Menge eines Kraftstoff-Luft-Gemisches
zuzumessen. Im Abgasstrom, der von der Brennkraftmaschine 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 Regeleinrichtung 13 angelegt, deren Ausgangssignal die
Kraftstoff-Aufbereitungseinrichtung so beeinflußt, daß das Massenverhältnis des der Brennkraftmaschine 10
zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches in Abhängigkeit von der Abgaszusammensetzung beeinflußt wird, und
zwar so, daß ein Minimum an schädlichen Anteilen des Abgases ausgestoßen wird. Die Regdeinrichtung 13, 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 Integralion wird erreicht daß unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine der Regler je
Arbeitstakt eine bestimmte Verstellung des Massenver-
1S hältnisses 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 F i g. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Regelein-
2"" richtung dargestellt, die dazu dient die Zusammensetzung
des Kraftstoff-Luft-Gemisches stufenweise vorzunehmen, wobei der Takt der stufenweise Veränderung
durch ein drehzahlabhängiges Signal erzeugt wird. Die Regeleinrichtung weist einen Schwellwertschalter 14,
eine Schalteinrichtung 15 und eine Integriereinrichtung 16 auf. Der Schwellwertschalter 14 hat einen Operationsverstärker
17, an dessen ersten Eingang eine Schwellenspannung angelegt ist, die durch einen
Spannungsteiler erzeugt wird, wobei der Spannungstei-
r' ler ein zwischen eine Pluszuleitung 18 und eine
Minuszuleitung 19 geschalteter Widerstand 20 ist, dessen Abgriff an den Eingang des Operationsverstärkers
17 angeschlossen ist. Mit einem zweiten Eingang des Operationsverstärkers 17 ist die Abgas-Meßsonde
12 verbunden. In Fig.3a ist der Verlauf der Ausgangsspannung der Abgas-Meßsonde 12 über der
Zeit t aufgetragen. Mit unterbrochenen Linien ist die mit Hilfe des Widerstandes 20 eingestellte Schwellenspannung
eingezeichnet. Überschreitet die Ausgangsspan-
v> nung der Abgas-Meßsonde 12 die Schwellenspannung,
so nimmt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers in den Fig.3b 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 Schwellwertschalters 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 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,
h> der Widerstände 29,30 und 31 aufweist. Der Widerstand
29 ist dabei mit der Pluszuleitung 18 und der Widerstand 31 mit der Minuszuleitung 19 verbunden. Der Emitter
des Transistors 24 ist an den Verbindungspunkt der
Widerstände 29 und 30 und der Emitter des Transistors 25 an den Verbindungspunkt der Widerstände 30 und 31
angeschlossen. Die Kollektoren der beiden Transistoren 24 und 25 sind untereinander verbunden und über einen
Widerstand 32 an einen ersten Eingang eines zur Integriereinrichtung 16 gehörenden Operationsverstärkers
33 angeschlossen. Der Operationsverstärker 33 weist zwischen seinem Ausgang und seinem ersten
Eingang einen Integrierkondensator 34 auf, der der Integriereinrichtung 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 mit 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 Kraftstofvmenge
des Kraftstoff-Luft-Gemisches für die Brennkraftmaschine
10 geändert werden kann.
Der Schalttransistor 26 der Schalteinrichtung 15 wird über einen Widerstand 35 von einer monostabilen
Kippstufe 36 angesteuert. Diese monostabile 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.3c dargestellt. Die dazugehörigen Ausgangsimpulse der monostabilen
Kippstufe zeigt F i g. 3d und das entsprechende Ausgangssignal am Ausgang des Operationsverstärkers
33 zur stufenweisen Korrektur des Massenverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches
ist in F i g. 3e dargestellt
Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltanordnung ist folgende. Es soll angenommen 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 33. Wegen der Rückkopplung des Ausgangssignales des Operationsverstärkers 33
über den Integrierkondensator 34 auf den ersten Eingang des Operationsverstärkers 33 erfolgt eine
lineare Änderung der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 33. Wird jetzt der Schalttransistor 26
durch Änderung des Ausgangssignales der monostabilen
Kippstufe 36 leitend gemacht, so wird die Basisspar.nung der Transistoren 24 und 25 auf einen
Wert eingestellt, der in der Mitte zwischen den beiden jeweiligen Emitterspannungen liegt Dadurch werden
die beiden Transistoren 24 und 25 gesperrt Infolgedessen
fließt über den Widerstand 32 kein Strom mehr zu dem Eingang des Operationsverstärkers 33 und 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 .■■
der beiden Transistoren 24 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 Schalttransi- ; stors 26 gibt. Damit kann der eben beschriebene ■
Integrationsprozeß in der gewünschten Stufenform :<,· ablaufen. Mit der Ausgangsspannung der Integralein- *;
richtung 16 bzw. des Operationsverstärkers 33 wird f dann die gewünschte Korrektur des Massenverhältnis- |"
ses des Kraftstoff-Luft-Gemisches durchgeführt wobei dies beispielsweise durch proportionales Verlängern
oder Verkürzen von Einspritzimpulsen von elektronisch gesteuerten Bezineinspritzeinrichtungen oder durch
proportionales Verändern eines Düsenquerschnittes in ( Vergasers von Brennkraftmaschinen erfolgen kann. ;',?
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann ; ein Widerstand 40 vorgesehen sein, der einerseits mit ;
dem Widerstand 23 Verbindung hat und andererseits an den Zugang des Operationsverstärkers 33 angeschlos- 1I
sen ist, an den auch der zusammen mit dem Widerstand 32 die Integrationszeitkonstante bestimmende Integrierkondensator
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 Einfluß 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 die Integriereinrichtung
16 weiter integriert, so daß das Korrektursignal am Ausgang des Operationsverstärkers auch
während der Pausenzeit zwischen zwei Impulsen weiter anwächst ode. 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 der
Integriereinrichtung 16 sofort und nicht erst bei ;.; Eintreffen eines neuen Impulses geändert wird, so daß r;
die Totzeit des Regelkreises weiter verkürzt wird. Der Spannungsverlauf, der bei einer Schaltungsanordnung '
mit dem Widerstand 40 am Ausgang des Operationsverstärkers 33 auftritt ist in F i g. 3f dargestellt Aus diesem
Diagramm geht hervor, daß sich das Ausgangssignal des .J Operationsverstärkers 33 während der Impulszeiten ;"
stärker, d.h. mit kleinerer Zeitkonstante ändert ■
während in den Impulspausen eine langsamere Ände- rung, d. h. eine Änderung mit kleinerer Zeitkonstante ;
erfolgt :
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Einrichtung zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von Brennkraftmaschinen
mit Hilfe einer Integralverhalten aufweisenden und eine Integriereinrichtung enthaltenden Regeleinrichtung
zur Beeinflussung des Massenverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches
(Lambda-Regelung), wobei die Regeleinrichtung durch eine dem Abgas der
Brennkraftmaschine ausgesetzte Abgasmeßsonde gesteuert wird und eine Steuereinrichtung vorgesehen
ist, die in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ein Taktsignal erzeugt, durch
das die Integriereinrichtung derart steuerbar ist, daß in einem vorgegebenen Takt ein stufenweises
Integrieren der Integriereinrichtung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den
durch den Takt vorgegebenen Integrationsstufen die Regeleinrichtung (13) mit einer Zeitkonstanten
integriert, die gegenüber der wirksamen Zeitkonstante während der durch den Takt vorgegebenen
Integrationsstufe vergrößert ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, mit einer Abgasmeßsonde, die an einen Schwellwertschalter angeschlossen
ist, dessen Ausgangssignal über eine von der Steuereinrichtung gesteuerte Schalteinrichtung
an die Integriereinrichtung angelegt ist, die mit einem das Masseverhältnis des Kraftstoff-Luft-Gemisches
ändernden Stellglied verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des
Schwellwertschalters (14) und dem Eingang der Integriereinrichtung (16) ein die Zeitkonstante der
Integriereinrichtung beeinflussender Widerstand (40) geschaltet ist
3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 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 Bezineinspritzeinrichtung
abgegeben wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Integriervorganges
durch das Steuersignal der Steuereinrichtung der elektronisch gesteuerten Bezineinspritzeinrichtung
bestimmt ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang der monostabiien
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 (14) und dessen Ausgangselektroden mit einem Eingang des
Regelverstärkers (16 bzw. 33) verbunden sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, 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 (24) 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 Widerstandes (31)
angeschlossen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (40) einerseits an den
Verbindungspunkt des Widerstandes (23) und der Steuerelektroden der Transistoren (24, 25) und
andererseits an den Eingang des Operationsverstärkers (33) angeschlossen ist.
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