DE2422938C2 - Schalteinrichtung zur geregelten Zugabe von Zusatzluft zum Abgas einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Schalteinrichtung zur geregelten Zugabe von Zusatzluft zum Abgas einer Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zur geregelten Zugabe von Zusatzluft zum Abgas einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist bei Abgasentgiftungsanlagen für Brennkraftmaschinen bekannt, die im Abgas enthaltenen schädlichen Anteile, wie Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (C1H^ und Stickoxide (NO»,} mit Hilfe von thermisch und/oder katalytisch wirkenden Reaktoren in unschädliche chemische Verbindungen umzuwandeln. Da eine Brennkraftmaschine mit wechselnder Leistung betrieben wird, ändert sich auch die Zusammensetzung der Abgase. Dadurch wird die Nachbehandlung in den thermischen und/oder katalytischen Reaktoren gestört, da der Sauerstoffanteil im Abgas einmal zu groß und das andere Mal zu gering ist. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es bekannt, die Brennkraftmaschine mit Luftmangel (λ>1) zu betreiben und die für die Behandlung in den Abgasnachbehandlungseinrichtungen erforderliche Verbrennungsluft durch eine motorisch betriebene Luftpumpe zuzuführen (DE-OS 2035 591).
Es ist auch bekannt, die Zugabe zusätzlicher Luft in Abhängigkeit vom Saugrohrdruck und der Drehzahl der Brennkraftmaschine zu steuern, und dieser Steuerung einen Regelkreis zu überlagern, der eine Feinregelung ίο der zugegebenen Zusatzluftmenge in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgases bewirkt (DE-AS 22 54 961).
Wenn diese bekannte Regeleinrichtung auch bei normalem Betrieb der Brennkraftmaschine zufriedenstellende Ergebnisse zu liefern vermag, so können doch bei bestimmten Betriebszuständen und auftretenden Fehlern Situationen entstehen, die zu einer fehlerhaften Steuerung der Schalteinrichtung führen. Gedacht ist hier vor allem an die Anwärmphase der Brennkraftmaschine, während der die Abgassonde noch keine korrekten Meßergebnisse liefert sowie z. B. an Signalleitungsunterbrechungen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schalteinrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe eine exakte Regelung der Zusatzluft in Abhängigkeit von der Abgaszusammensetzung möglich ist und gleichzeitig eine Sir.herheitsschaltstufe mit umfaßt, die bei nicht korrektem Arbeiten der Regeleinrichtung eine entsprechende Reaktion auszulösen vermag.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs.
Mit dieser Schalteinrichtung ist es möglich, während der Anwärmphase der Brennkraftmaschine, in der der Sauerstoff-Fühler im Abgas der Brennkraftmaschine noch kein eindeutiges Ausgangssignal liefert, sowie bei Störungen der Signalleitungen, für eine maximale Zusatzluftmenge zu sorgen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprücheu aus der zugehörigen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und aus den zugehörigen Zeichnungen. Es zeigt
Fig. 1 die schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung für Zusatzluft zum Abgas und einer der Steuereinrichtung überlagerte Regeleinrichtung zur Feinregulierung der Zusatzluftzugabe,
Fig.2 eine elektrische Schalteinrichtung zur Regelung der ZusatzluftLugabe und
so F i g. 3 ein Diagramm, in dem die Ausgangsspannung eines Sauerstoff-Fühlers über der Luftzahl λ aufgetragen ist.
In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, die über ein Ansaugrohr 11 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch ansaugt, das beispielsweise von einem weiter nicht dargestellten Vergaser aufbereitet werden kann. Die Brennkraftmaschine 10 treibt über eine bei 12 angedeutete Verbindung eine Luftpumpe 13 an. Die Luftpumpe fördert Luft zu einer Regeleinrichtung 14, wobei die Luftmenge abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ist Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 wird über eine Abgassammelleitung 15 einem thermischen und/oder katalytischen Reaktor zugeführt, schematisch mit Bezugszahl 16 angedeutet.
Die Regeleinrichtung weist einen ersten Steuerdruckraum 17 und einen zweiten Steuerdruckraum 18 auf. Zusätzlich ist in der Regeleinrichtung 14 ein erster Druckraum 19 und ein zweiter Druckraum 20
angeordnet Schließlich hat die Regeleinrichtung 14 noch einen dritten Druckraum 21. In den ersten Steuerdruckraum 17 mündet eine mit dem Saugrohr 11 verbundene erste Druckleitung 22, die ebenfalls Verbindung mit einem als Stellglied dienenden Dreiwegeventil 23 hat Mit dem zweiten Steuerdruckraum 18 ist eine zweite Druckleitung 24 verbunden, die zu einem Anschluß des Dreiwegeventils 23 führt Der dritte Anschluß des Dreiwegeventils 23 ist mit einer dritten Druckleitung 25 verbunden, weiche zu dem dritten Druckraum 21 führt Ebenfalls zu dem dritten Druckraum 21 führt eine Luftleitung 26, die an die Abgassammelleitung 15 angeschlossen ist Zu dem zweiten Druckraum 20 führt eine Luftzuleitung 26 von der Luftpumpe 13 und von dem ersten Druckraum 19 führt eine Luftrückführungsleitung 27 ins Freie.
Im Inneren der Regeleinrichtung 14 ist eine Führungsstange 28 angeordnet, an der zwei Dosierkegel 29 und 30 befestigt sind, die öffnungen 31 und 32 in Trennwänden 33 bzw. 34 öffnen und schließen, wobei die Trennwände 33 und 34 die Druckräume 19,20 und 21 abteilen. Der erste Druckraum 19 ist von dem zweiten Steuerdruckraum 18 durch eine Membran 35 getrennt und der erste Steuerdruckraum 17 und der zweite Steuerdruckraum 18 sind durch eine Membran 36 voneinander getrennt Diese beiden Membranen sind ebenfalls mit der Führungsstange 28 verbunden. Die Membran 36 stützt sich dabei gegen eine Druckfeder 37 ab.
Das Dreiwegeventil 23 wird durch eine Schalteinrichtung 38 betätigt die mit einer Versorgungsspannungsquelle 39 verbunden ist Die Betätigung des Dreiwegeventils 23 mit Hilfe der Schalteinrichtung 38 erfolgte dabei in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgases in der Abgassammelleitung 15, wobei die Zusammensetzung mit Hilfe eines an das Schaltgerät 38 angeschlossenen Sauerstoff-Fühlers 40 erfolgt.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende: Der Abgassammelleitung 15 wird in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine und -to dem Saugrohrunterdruck Zusatzluft zugegeben. Dies geschieht, wie oben schon angedeutet, einerseits dadurch, daß die Luftpumpe 13 mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 umläuft, und andererseits dadurch, daß der Saugdruck auf den ersten Steuerdruckraum 17 gegeben ist Bei hotem Saugrohrdruck entspannt sich die Druckfeder 37 in dem ersten Steuerdruckraum und die Führungsstange mit den Dosierkegeln 29 und 30 wird nach unten verschoben, so daß die öffnung 31 vergrößert und die öffnung 32 verkleinert wird. Dadurch gelangt ein größerer Anteil an Zusatzhft zu der Abga-.nachbehandlungseinrichtung 16. Die motordrehzahlabhängige und saugrohrdruckabhängige Beeinflussung der Zusatzluftmenge ist eine Steuerung, der eine Regelung überlagert ist. Je nachdem ob über das Dreiwegeventil 23 dem zweiten Steuerdruckraum 18 der Abgasgegendruck, der über die Luftzuleitung 26 und die dritte Druckleitung 25 geführt wird, oder der Saugrohrdruck, der über die erste Druckleitung und über das Dreiwegeventil geführt, zugeführt wird, verschieben sich die Membranen 35 bzw. 36.
Durch diese überlagerte Regelung ist eine äußerst genaue Zumessung der Zusatzluftmenge zum Abgas möglich.
In Fig.2 ist die Schalteinrichtung 38 dargestellt mit deren Hilfe das Dreiwrgeventil 23 verstellt werden kann. Durch eine Arbeitswicklung 41 eines Magnets wird eine Klappe 42 so verschwenkt, daß im einen Fall der Saugrohrdruck auf die zweite Druckleitung 24 gelangt und daß im anderen Fall der Abgasgegendruck über die dritte Druckleitung auf die zweite Druckleitung 24 und damit in den zweiten Steuerdruckraum geleitet wird. Die Arbeitswicklung 41, der ein Kondensator 80 zur Unterdrückung von Abschaltspannungsspitzen parallel geschaltet ist Hegt in Reihe zu einem ersten Schalttransistor 43, der über einen Widerstand 44 mit einer gemeinsamen Pluszuleitung 45 zu der Versorgungsspannungsquelle 39 verbunden ist Eine zweite Versorgungsleitung 46 führt zum Minuspol der Versorgungsspannungsquelle, an diese Leitung 46 sind die Arbeitswicklung 41 und der Kondensator 42 einseitig angeschlossen.
Die Ansteuerung des ersten Schalttransistors erfolgt in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Sauerstoff-Fühlers 40, der in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgases eine Ausgangsspannung liefert In F i g. 3 ist die Ausgangsspannung des Sauerstoff-Fühlers 40 über der Luftzahl λ des zugefüb/ ien Kraftstoff-Luft-Gemisches aufgetragen. Auf der Ordinate des Diagrammes nach F i g. 3 ist die Ausgangsspannung U des Sauerstoffühlers 40 aufgetragen und auf der Abrisse ist die Luftzahl λ in einem Bereich von etwa 0,8 bis 13 aufgeUagen. Bei einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch (A= 1) ändert sich die Ausgangsspannung des Sauerstoffühlers nahezu schlagartig, wobei hei niedrigen Luftzahlen eine hohe Ausgangsspannung und bei hohen Luftzahlen eine niedrige Ausgangsspannung vorliegt Dabei bedeuten Luftzahlen kleiner 1 ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch und Luftzahlen größer 1 ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch. Die Höhe der Ausgangsspannung des Sauerstoff-Fühlers 40 ändert sich dabei sehr stark mit der Temperatur ■# im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine. Der Sauerstoff-Fühler 40 ist über einen Eingangswiderstand 47 mit dem invertierenden Eingang eines als Schwellenwertschalter dienenden Operationsverstärker verbunden. Die Schaltschwelle des Schwellwertschalters 48 ist durch einen Spannungsteiler 49 und 50, der zwischen die Versorgungsleitungen 45 und 46 geschaltet ist bestimmt, wobei das Potential am Abgriff des Spannungsteilers über einen Eingangswiderstand 51 dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 48 zugeführt ist. Mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 48 ist ein Arbeitswiderstand 52 verbunden, der zu der Versorgungsleitung 45 führt Außerdem ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 48 ein Basisvorwiderstand 53 verbunden, der an der Basis einer Verstärker-Endstufe 54 angeschlossen, welche den ersten Schalttransistor 43, der ein Leistungstransistor ist, umschaltet
Mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 48 ist v/eiterhin eine Sicherheitsschaltstufe 55 verbunden, die eine monostabile Kippstufe 56 aufweist Die moncstabi-Ie Kippstufe hat einen Kondensator, dessen eine Elektrode direkt am Ausgang des Operationsverstärkers 48 liegt und dessen andere Elektrode über ein» Diode mit der B?cis eines Transistors 58 verbunden ist Mit der Anode der Diode 59 ist ein Widerstand 66 verbunden, der einseitig an die gemeinsame Versorgungsleitung 45 angeschlossen ist Die Kathode der Diode 59 ist mit der Basis des Transistors 58 und einem Widerstand 61 verbunden, der zu der gemeinsamen Versorgungsleitung 46 führt Der Kollektor des Transistors 58 ist über einen Arbeitswiderstand 62 mit der gemeinsamen Plusleitung verbunden und der Emitter des Transistors 58 ist direkt an die gemeinsame
Versorgungsleitung 46 angeschlsossen. Mit dem Kollektor des Transistors 58 ist die Anode einer Diode 63 verbunden, deren Kathode mit der einen Elektrode eines Ladekondensators 64, einen Widerstand 65 und der Basis eines zweiten Schalttransistors 66 verbunden ist. Der Ladekondensator 64 und der Widerstand 65 sind einseitig an die gemeinsame Versorgungsleitung 46 angeschlossen. Der Kollektor des zweiten Schalttransistors 66 ist Ober einen Arbeitswiderstand 81 mit der Plusleitung 45 verbunden. Am Kollektor des zweiten Schalttransistors 66 ist weiterhin ein Spannungsteiler aus Widerständen 68, 69 angeschlossen, wobei der Widerstand 69 zu der gemeinsamen Versorgungsleitung 46 führt. Ebenso ist ein Emitterwiderstand 67 mit der Versorgungsleitung 46 verbunden. An den Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen 68 und 69 ist ein dritter Schalttransistor 70 angeschlossen, dessen Emitter direkt mit der Versorgungsleitung 46 Verbindung hat. Der Kollektor des dritten Schalttransistors 70 hat mit der Basis des Transistors 54 Verbindung.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Schalteinrichtung ist folgende. Wenn durch den Sauerstoff-Fühler 40 in der Abgassammelleitiing 15 signalisiert wird, daß das der Brennkraftmaschine 10 zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch zu fett ist. d. h., daß die Luftzahl A> 1 ist, liegt am Ausgang des Sauerstoff-Fühlers 40 bei normaler Betriebstemperatur ein positives Signal an. Dieses positive Signal wird auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 48 gegeben, so daß an dessen Ausgang ein negatives Signal erscheint Dieses negative Signal gelangt über den Widerstand 53 auf die Basis des Verstärker-Transistors 54, der dadurch sperrt. Bei sperrenden Verstärkertransistor 54 gelangt ein positives Signal auf die Basis des ersten Schalttransistors 43 und steuert diesen in seinen leitenden Zustand. Dadurch wird die Arbeitswicklung 41 erregt und die Klappe 42 des Dreiwegeventils 23 in eine Lage gebracht, bei der der Saugrohrdruck auf den zweiten Steuerdruckraum wirkt. Dadurch wird die Membran 36 vom zweiten Steuerdruckraum 18 aus entlastet und die Feder 37 kann sich ausdehnen. Dies hat zur Folge, daß die Dosierkegel 29 und 30 nach F i g. I nach unten bewegt werden, so daß mehr Luft dem Abgas zugemischt wird.
Ist dagegen das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu mager, so J.iß am Ausgang des Sauerstoff-Fühlers ein negatives Potential auftritt, so ruft dieses negative Potential am Ausgang des Operationsverstärkers 48 ein positives Signal hervor, das den Verstärkertransistor 54 in den leitenden Zustand steuert. Bei leitendem Verstärker-Transistor 54 sperrt der erste Schalttransistor 43 und die Arbeitswicklung wird nicht erregt, dadurch gelangt die Klappe 42 des Dreiwegeventils in ihre andere Schaltlage, so daß der Abgasgegendruck in den zweiten Steuerdruckraum 18 gelangt. Dadurch wird die Membran 36 nach oben verschoben und mit dieser Membran 36 über die Führungsstange 28 auch die Dosierkegel 29 und 30. Dies bewirkt eine Drosselung oder im Extremfall eine Absperrung der Zusatzluftzugabe zum Abgas.
to Die Wirkungsweise der Sicherheits-Schaltstufe ist im folgenden beschrieben: Im normalen Betriebsfall schaltet der Ausgang des Operationsverstärkers 48 ständig zwischen Plus und Minus hin und her. Bei jedem Wechsel der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 48 von Plus nach Minus gelangt über den Kondensator 57 negatives Potential an die Anode der Diode 59. Dadurch wird dem Transistor 58 der Basisstrom entzogen und er wird gesperrt, bis der Kondensator 57 umgeladen ist.
Während der Standzeit dieser monostabilen Kippstufe 56 wird der Ladekondensator 64 über den Widerstand 62 und die Diode 63 aufgeladen, sonst über den Widerstand 65 entladen. Das reicht aus. um den Transistor 66 leitend zu halten und damit den Transistor 70 sperrt. Damit kann der Transistor 54, wie weiter oben beschrieben, arbeiten.
Tritt dagegen eine Störung ein, d. h., ein durch niedrige Abgastemperatur hervorgerufener zu hoher Innenwiderstand im Sauerstoff-Fühler 40 oder aber auch ein Kurzschluß oder eine Leitungsunterbrechung im Eingangskreis der Schalteinrichtung 40, bleibt der Ausgang des Operationsverstärkers 48 auf irgendeinem statischen Potential stehen. Dadurch wird die monostabile Kippstufe 56 nicht mehr angestoßen, was zur Folge hat, daß der Transistor 58 ständig leitend ist. Wenn der Transistor 58 leitend ist, ist die Diode 63 gesperrt und der Ladekondensator 64 kann sich über den Widerstand 65 entladen. Wenn der Ladekondensator 64 genügend entladen ist, sperrt er den zweiten Schalttransistor 66.
Dadurch tritt am Kollektor des gesperrten zweiten Schalttransistors 66 ein positives Signal auf. das den dritten Schalttransistor 70 in seinen leitenden Zustand steuert. Der leitende dritte Schalttransistor 70 sperrt den Verstärker-Transistor 54, so daß der erste Schalttransistor 43 leitend wird und damit für eine Maximal-Luftzugabe sorgt so daß bei Störungen im Eingangskreis der Schalteinrichtung 38 stets mit sehr magerem Kraftstoff-Luft-Gemisch gefahren wird und damit der Anteil der Schadstoffe im Abgas gering gehalten wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Schalteinrichtung zur geregelten Zugabe von Zusatzluft zum Abgas einer Brennkraftmaschine mit einer Abgas-Nachverbrennungseinrichtung im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine und einem im Auspuffsystem angeordneten Sauerstoff-Fühler zur Ermittlung der Zusammensetzung des Abgases, wobei der Sauerstoff-Fühler (40) mit einem Schwellwertschalter (48) verbunden ist, welcher insbesondere über einen Verstärkertransistor (54) einen ersten Schalttransistor (43) umschaltet, der in Abhängigkeit von seinem Schaltzustand die Arbeitswicklung (41) eines Ventils (23) ansteuert, das die dem Abgas zugegebene Zusatzluftmenge vergrößert bzw. verringert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sicherheitsschaltstufe (55) vorgesehen ist, die während der Start- und Anwärmphase der Brennkraftmaschine und bei einer Störung der Schalteinrichtung (38) oder der Signal-Zuleitungen eine maximale Zusatzluftzugabe auslöst, wobei die Sicherheitsschaltstufe (55) mit dem Ausgang des Schwellwertschalters (48) verbunden ist und bei einem über einen bestimmten Zeitraum vorliegenden statischen Signal des Schwellwertschalters (48) den ersten Schalttransistor (43) in den eine Zu&atzluftmengenzugabe auslösenden Schaltzustand umschaltet
2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang des Schwellwertschalters (48) eine monostabile Kippstufe (56) verbunden ist, mit deren Ausgang ein Ladekondensator (64) verbunden 'St, we!-her in Abhängigkeit von seinem Ladezustand den Schaltzustand eines zweiten Schalttransistors (66) t-.stimmt, der insbesondere über einen dritten Schalttransistor (70) den Schaltzustand des ersten Schalttransistors (43) beeinflußt.
3. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die monostabile Kippstufe (56) einen mit dem Ausgang des Schwellwertschalters (48) verbundenen Kondensator (57) aufweist, der mit seiner anderen Elektrode an einen Abgriff einei> Spannungsteilers (59,60,61) angelegt ist, an den die Steuerelektrode eines Transistors (58) angeschlossen ist, dessen Schaltstrecke über eine Diode (63) der Ladekondensator (64) parallel geschaltet ist.
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