DE2530847C3

DE2530847C3 - Vorrichtung zur Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2530847C3
Application number: DE2530847A
Authority: DE
Inventors: Wendell Douglas Rochester Mich. Creps (V.St.A.)
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1975-02-11
Filing date: 1975-07-10
Publication date: 1978-09-21
Also published as: DE2530847A1; GB1480682A; US3939654A; CA1045700A; DE2530847B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Gebrauch mit einer Brennkraftmaschine, die einen katalytischen Konverter besitzt, der, wenn ihm von der Maschine Auspuffgase zugeführt werden, die oxidierende und reduzierende Wirkstoffe in einem bestimmten Verhältnis enthalten, dahingehend wirkt, daß er eine bestimmte Reaktion zwischen diesen Wirkstoffen beschleunigt, der aber auch hinsichtlich Veränderungen in der Zusammensetzung der Auspuffgase Zeitverzögerungseffekten unterliegt, wobei diese Vorrichtung Mittel zur Erzeugung eines das Luft-Brennstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zuzuführenden Gemisches beeinflussenden ersten Signals umfaßt, das für den Anteil von wenigstens einem der Wirkstoffe in den Auspuffgasen stromauf des Konverters kennzeichnend ist und wobei die das erste Signal enxugenden Mittel beim Betrieb in einem rückgekoppelten Regelkreis zeitbezogenen Drifterscheinungen unterliegen.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE-OS 21 16 097 bekannt. Sie soll dazu dienen, gleichzeitig sowohl die Oxidation als auch die Reduktion die zur Beseitigung der in den Auspuffgasen enthaltenen, schädlichen Bestandteile erforderlich sind, durchzuführen. Eine wesentliche Voraussetzung ist, daß die aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgase, die quasi als Luft-Brennstoffgemisch für eine »Nachverbrennung« deiT; katalytischen Konverter zugeführt werden, die zur Reaktion zu bringenden Bestandteile im richtigen stöchiometrischen Mischungsverhältnis enthalten. Dieses Mischungsverhältnis ist dann optimal, wenn die in den Abgasen enthaltenen zu oxidierenden und zu reduzierenden Bestandteile bei den im Konverter ablaufenden Reaktionen einander gerade gegenseitig aufbrauchen. Es ist klar, daß das tatsächliche Mischungsverhältnis der reaktionsfähigen Bestandteile in den dem Konverter zugeführten Abgasen vom Luft-Brennstoffverhältnis in dem dem Motor zugeführten Gemisch abhängt. Fette Gemische, mit einem Überschuß an Brennstoff, neigen dazu, größere Mengen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zu erzeugen, wohingegen magere Gemische mit Luftüberschuß eher größere Mengen an Stickstoffoxiden erzeugen.

Definiert man das Luft-Brennstoff-Verhältnis als den Gewichtsanteil der Luft geteilt durch den Gewichtsanteil des Brennstoffes, dann gibt es nur einen engen Bereich von ungefähr 0,05 Luft-Brennstoff-Verhältniseinheiten, um das stöchiometrische Verhältnis herum, in dem der Umwandlungswirkungsgrad im katalytischen Konverter sowohl für die Oxidation als auch für Reduktion sehr hoch ist. Dieser Bereich, der als »Konverter-Fenster« bezeichnet wird, ist jedoch sehr

eng und deshalb sieht die DE-OS 21 16 097 ein rückgekoppeltes Brennstoff-Regelsystem vor, bei dem das Luft-Brennstoff-Verhältnis des dem Motor zugeführten Gemisches mit Hilfe des Rückkopplungssignals eines vor dem Konverter angeordneten, dei. Auspuffgasen ausgesetzten Zirkonerde-Meßfühlers so gesteuert wird, daß die dem Konverter zugeführten Gase innerhalb des Konverter-Fensters gehalten werden.

Ein solches Regelsystem muß jedoch eine ganze Reihe von Anforderungen erfüllen. Das System muß stabil sein, um eine kontinuierliche Kontrolle bzw. Steuerung aufrechtzuerhalten und es darf nicht anfangen zu schwingen. Andererseits muß das System schnell reagieren und durch geringes Oberschwingen gekennzeichnet sein, so daß es sich immer nur möglichst kurze Zeit außerhalb des Konverter-Fensters befindet Darüber hinaus soll dieses System sowohl für Vergaser-Motoren als auch für Motoren mit Brennstoff-Einspritzung anwendbar sein.

Diese Forderungen werden von der bekannten Vorrichtung aber nur unvollständig erfüllt Sie vermag zwar eine gewisse Kontrolle über den Arbeitspunkt des Motors aufrechtzuerhalten, doch neigt sie dazu, im Laufe der Zeit infolge von sich ändernden Eigenschaften des Meßfühlers und aufgrund anderer Faktoren aus dem Konverter-Fenster herauszudriften.

Weiterhin ist es aus der DE-OS 23 28 459 bekannt, im Abgasstrom sowohl unmittelbar vor als auch unmittelbar hinter dem katalytischer! Konverter einen Zirkoniumoxid-Meßfühler zur Bestimmung des Sauer- jo stoffgehaltes der Abgase vorzusehen. Die beiden so gewonnenen Signale werden aber ausschließlich dazu verwendet, die Funktionstüchtigkeit des im Konverter befindlichen Katalysators zu überwachen und bei einer erheblichen Verschlechterung ein Warn- bzw. Hemm- J5 signal abzugeben. Die Steuerung bzw. Regelung des Luft-Brennstoffverhältnisses in dem dem Motor zugeführten Gemisch erfolgt über ein nicht näher beschriebenes Steuergerät, das seine Information von einem einzigen, vor dem Konverter im Abgasstrom angeordneten Meßfühler bezieht und somit offensichtlich genau der bereits oben im Zusammenhang mit der DE-OS 21 16 097 behandelten Anordnung entspricht. Zu einer Lösung der mit dieser Anordnung verbundenen Probleme vermag die Vorrichtung der DE-OS 23 28 459 also nichts beizutragen.

Sowohl bei der in der DE-OS 23 08 781 als auch bei der in der DE-OS 22 19 073 beschriebenen Anordnung werden elektrolytische Konverter verwendet, denen zur vollständigen Oxidation der entsprechenden Abgasbestandteile zusätzlich Frischluft-Sauerstoff zugeführt wird. Eine Reduktion von bereits oxidierten Schadstoffen ist hier nicht vorgesehen. Als optimaler Arbeitspunkt wird der Zustand betrachtet, in dein die im Konverter nachverbrannten Abgase eine möglichst 5"> große Temperaturerhöhung erfahren.

Zur Einhaltung dieses Arbeitspunktes wird die Temperatur der Abgase am Eingang des Konverters und an einer strömungsmäßig hinter dem Reaktionsbereich liegenden Stelle mit Hilfe von jeweils einem to Temperaturmeßfühler gemessen. Aus den beiden sich ergebenden Signalen wird einfach das Differenzsignal gebildet und dieses einzelne Signal wird dann für eine Regelung des Luft-Brennstoffverhältnisses in dem dem Motor zugeführten Gemisch weiterverarbeitet. Die t>-> Problematik, dieses Gemisch so zu regeln, daß ein in der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehener Konverter langfristig in dem oben dc-finierten Konverter-Fenster arbeitet, wird auch in diesen beiden Druckschriften weder angesprochen noch werden Hinweise zu ihrer Lösung gegeben.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß sie eine hohe Langzeitstabilität besitzt und daß sie zugleich ohne Schwingneigungen zu zeigen rasch auf aus dem Konverter-Fenster herausführende Abweichungen anzusprechen vermag, um sicherzustellen, daß sich das System allenfalls nur sehr kurze Zeit außerhalb dieses Fensters befindet

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs niedergelegten Merkmale vor.

Gemäß der Erfindung umfaßt also ein rückgekoppeltes Brennstoff-Regelsystem z. B. zwei Zirkonerde-Meßfühler, einer vor und einer hinter dem katalytischen Konverter, deren Signale kombiniert bzw. miteinander verknüpft und durch Steuerungs- bzw. Regelelemente zurückgekoppelt werden, um das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Motorengemisches so zu verändern, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis des dem katalytischen Konverter zugeführten Gemisches innerhalb des Konverter-Fensters gehalten wird.

Die Signale der beiden Meßfühler ergänzen einander in dem Sinn, daß immer das eine das tut, was das andere läßt Der zweite Fühler zeigt eine schärfere Empfindlichkeit in bezug auf eine Änderung im Luft-Brennstoff-Verhältnis und liefert ein Signal, das das System langzeitlich ohne Drifterscheinungen innerhalb des Konverter-Fensters hält. Andererseits spricht der erste Meßfühler rascher an, da er nicht der zeitlichen Verzögerung unterliegt, die durch den katalytischen Konverter bewirkt wird; dieses raschere Ansprechen verringert die Durchgangsschwingungen, die aus dem Konverter-Fenster herausführen und hilft, die in der Rückkopplungs-Schleife erforderliche Verstärkung zu verringern und so die Stabilität des Systems zu verbessern. Die beiden Meßfühler sind insbesondere für ein kaskadenförmig aufgebautes Steuerungs- bzw. Regelsystem geeignet, bei dem das langsamer veränderliche Signal des hinter dem katalytischen Konverter liegenden Fühlers mit einem ersten Referenzsignal verglichen wird, um ein Referenzsignal zu erzeugen, mit dem das Signal des vor dem katalytischen Konverter liegenden Sensors verglichen wird, um so ein Steuersignal zu liefern, das den Vorrichtungen zugeführt wird, die das Luft-Brennstoff-Verhältnis bestimmen.

Außerdem kann das System dafür sorgen, daß bei einem Kaltstart des Motors, bei weitgeöffneter Drosselklappe und im Leerlaufbetrieb automatisch zu einer rückkopplungsfreien Steuerung übergegangen wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt
■ F i g. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 einen vertikalen Schnitt durch eine Vorrichtung, die geeignet ist, den Brennstoff-Fluß in einem Vergaser nach Maßgabe eines elektrischen Signals in einer Vorrichtung nach F i g. 1 zu steuern,

Γ i g. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 2,

Fig. 4 die schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung zur Verwendung in der Vorrichtung nach F i g. 1 und

F i g. 5 ein Diagramm, das für den vor und für den hinter dem Konverter liegenden Fühler in der Vorrichtung nach Fig.] die typische Ausgangsspannung als Funktion des Luft-Brennstoff-Verhältnisses darstellt.

F i g. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 2, die von einem herkömmlichen Vergaser 3 und einem Luftreiniger 4 mit einem Brennstoff-Luft-Gemisch versorgt wird, obwohl ebenso ein Brennstoff-Einspritz-System Verwendung finden könnte.

Der Motor 2 gibt seine verbrauchten Gase durch ein Auspuffrohr 6 ab, das einen katalytischen Konverter 7 umfaßt, in dem die durchfließenden Auspuffgase einer katalytischen Substanz wie z. B. Platin oder Palladium ausgesetzt werden, die, wenn das richtige Luft-Brennstoff-Verhältnis in den Auspuffgasen gegeben ist, gleichzeitig die Oxydation der Kohlenstoff-Monoxyde und Kohlenwasserstoffe und die Reduktion von Stickstoff-Oxyden fördert. Die Auspuffleitung 6 ist mit einem ersten Sauerstoff-Meßfühler 8 versehen, der stromauf des katalytischen Konverters 7 liegt, und mit einem zweiten Sauerstoff-Meßfühler 10, der sich stromab des katalytischen Konverters befindet, wobei es sich bei den Fühlern 8 und 10 vorzugsweise um Zirkonerde-Elektrolyt-Fühler handelt, die, wenn sie bei hohen Temperaturen Motor-Auspuffgasen ausgesetzt werden, eine Ausgangsspannung erzeugen, die sich merklich ändert, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis der Auspuffgase durch das stöchiometrische Verhältnis hindurchgeht. Solche Fühler sind nach dem Stand der Technik wohlbekannt. Die Ausgangsspannungen der Meßfühler 8 und 10, die mit Z1 bzw. Z2 bezeichnet sind, sind als Funktion des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in Fig.5 dargestellt, aus der entnommen werden kann, daß Z1 und Z 2 typisch einen Bereich überstreichen, der kleiner als 1 Volt ist, daß sie ihre höchsten Werte bei fetten Gemischen und ihre niedrigsten Werte bei mageren Gemischen annehmen und daß sie einen ziemlich steilen Abfall zeigen, wenn das Gemisch durch das stöchiometrische Verhältnis hindurchgeht. Ohne in der F i g. 5 dargestellt zu sein, ist nach dem Stand der Technik wohlbekannt, daß sich die oberen und unteren Grenzwerte von Zl und Z2 mit der Temperatur und dem Alter des Meßfühlers merklich ändern können.

Ebenso geht aus den Kurven der F i g. 5 hervor, daß Z 2 einen steileren Abfall durch das stöchiometrische Verhältnis hindurch zeigt als Zl; dieser schärfere Spannungsübergang im Bereich des Konverter-Fensters in dem hinter dem katalytischen Konverter liegenden Fühler beruht auf der Wirkung des katalytischen Konverters, der die Auspuffgase in ein chemisches Gleichgewicht bringt Das Ergebnis ist ein Signal, das eine sehr genaue Anzeige des Konverter-Fensters liefert und von dem sich auch gezeigt hat, daß es bei der Anwendung in Fahrzeugen über einen weiten Geschwindigkeits- und Belastungsbereich unempfindlich gegenüber den Antriebsbedingungen ist Zusätzlich bewirkt das Arbeiten des katalytischen Konverters 7, das sowohl die Zündungsvorgänge der einzelnen Zylinder als auch auf schlechter Durchmischung beruhende Effekte ausmittelt, die in den Auspuffgasen auftreten können, die aus dem Motor 2 herausströmen, daß das Signal Z2 gegenüber von Fahrzeug zu Fahrzeug bzw. von Zylinder zu Zylinder auftretenden Schwankungen der Gemisch-Verteilung unempfindlich ist Aus diesen Gründen ist Z2 das bevorzugte Signal, um einen Langzeit-Arbeitspunkt in dem Motoren-Brennstoff-Steuerungssystem festzulegen.

Der katalytische Konverter 7 bringt jedoch eine Zeitverzögerung bei der Messung einer Änderung in den Auspuffgasen am Meßfühler 10 mit sich im Vergleich zu der Messung derselben Änderung in den Auspuffgasen vor dem katalytischen Konverter, wie sie von dem Meßfühler 8 gemessen und in dem Signal Z1 wiedergespiegelt wird. Obwohl der Meßfühler 8 nicht mit derselben Genauigkeit ein Maß für das Arbeiten am Konverter-Fenster darstellt wie der Sensor 10 und, für ίο sich allein genommen, es dem Arbeitspunkt erlauben würde, vom Konverter-Fenster wegzudriften, spricht er schneller auf Änderungen im Luft-Brennstoff-Verhältnis in der Auspuffleitung 6 an und trägt so, wenn er in Verbindung mit dem Meßfühler 10 verwendet wird, wesentlich mit zu den dynmatischen Eigenschaften des Systems bei.

F i g. 1 zeigt, auf welche Weise die Signale Z1 und Z 2 kombiniert werden. Ein Summier-Knotenpunkt 11 bildet die Differenz zwischen Z 2 und einem festen

2» Vergleichssignal R 2, die einem Integrator 12 zugeführt wird. Das Referenzsignal bzw. die Referenzspannung R 2 wird so eingestellt, daß sie gleich dem Signal Z 2 ist, wenn dieses die Mitte des Konverter-Fensters am Meßfühler 10 anzeigt, so daß sich, solange ein solcher Zustand besteht, das Ausgangssignal des Integrators 12 nicht ändert. Weicht Z 2 in einer der beiden Richtungen vom Referenzsignal R 2 ab, so nimmt das Ausgangssignal des Integrators 12 in entsprechender Weise zu oder ab.

Das Ausgangssigna] des Integrators 12 und das Signal Zl werden jeweils einem der beiden Eingänge eines Komparators 14 zugeführt dessen Ausgangssignal entweder eine konstante hohe oder eine konstante niedere Spannung aufweist, je nachdem, welcher der beiden Eingänge eine größere Spannung besitzt Die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Komparators 14 und einem Referenzsignal R1 wird in einem Summier-Knotenpunkt 15 gebildet. Das Referenzsignal R1 wird so gewählt daß es eine konstante Spannung in

der Mitte zwischen dem hohen und dem niederen Niveau des Ausgangssignals des Komparators 14 bildet, so daß das Ausgangssignal des Summier-Knolenpunktes 15 ein Signal ist, dessen Spannung immer den gleichen Absolutbetrag besitzt, dessen Vorzeichen sich aber mit dem Ausgangssignal des Komparators 14 ändert Das Ausgangssignal des Summier-Knotenpunktes 15 wird einem Integrator 16 zugeführt Der Komparator 14, der Summier-Knotenpunkt 15 und das Referenz-Signal R1 werden deshalb dazu verwendet das Signal Z1 mit dem Ausgangssignal des Integrators 12 zu kombinieren, damit der Integrator 16 eine konstante Integrationsverstärkung erhält Das ist erforderlich, weil die auf Grund wechselnder Temperaturen oder wegen der Alterung der Meßfühler

auftretenden Änderungen der Kurve, in der die Spannung gegen das Luft-Brennstoff-Verhältnis für die Meßfühler 8 und 10 aufgetragen ist, auf der »fetten« und »mageren« Seite des stöchiometrischen Verhältnisses eine unterschiedliche Größe aufweisen. Das Signal, das

μ dem Integrator 16 zugeführt wird und das lediglich sein Vorzeichen wechselt ist gegenüber solchen unsymmetrischen Änderungen unempfindlich und hilft auf diese Weise, das System im Konverter-Fenster zu halten.
Um die Stabilität zu verbessern, während gleichzeitig

eine hohe Integrationsverstärkung für ein schnelles Ansprechen aufrecht erhalten wird, mag es wünschenswert sein, das System mit einer Proportional-Steuerung durch das Signal Zl zu versehen. Um das durchzufüh-

ren, wird in einem Summier-Knotenpunkt 18 die Differenz zwischen dem Signal Z1 und einem Referenz-Signal R 3 gebildet und einem Proportional-Steuerorgan bzw. einem Proportional-Regler 19 zugeführt, der auch Phasen-Voreilungselemente umfassen kann. Das Ausgangssignal des Proportional-Reglers 19 wird mit dem Ausgangssignal des Integrators 16 in einem Summier-Knotenpunkt 20 kombiniert, dessen Ausgang einen Leistungsverstärker 22 steuert. Das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 22 wird Steuervorrichtungen für das Luft-Brennstoff-Verhältnis zugeführt, die dem Vergaser 3 zugeordnet sind.

Die Steuerungsvorrichtungen für das Luft-Brennstoff-Verhältnis sind in den F i g. 2 und 3 dargestellt. Der Vergaser 3, von dem ein Teil in F i g. 2 dargestellt ist, besitzt eine Brennstoffkammer 23, der Brennstoff in der üblichen Weise zugeführt wird, und einen Ansaugkanal 24 mit einer Drosselklappe bzw. einem Drosselventil 26, einem Venturirohr 27 und einem Brennstoff-Zuführungskanal 28, der ein oberes Ende 29, das zu dem Venturi-Rohr 27 hin offen ist, und ein unteres Ende 30 besitzt, das zur Brennstoffkammer 23 hin offen ist.

Der Brennstoff, der von der Brennstoffkammer 23 in den Brennstoffversorgungskanal 28 fließt, wird von einer Reihe von Dosierstäben und -düsen gesteuert.

Ein Hauptdosierstab 34 hat ein zugespitztes bzw. verjüngtes Ende 35, das in axialer Richtung in einer Hauptdosierdüse 36 bewegt werden kann. Der Hauptdosierstab 34 wird durch einen Hauptvakuumkolben bzw. Hauptunterdruckkolben 38 in Lage gehalten und schränkt den Durchfluß von Brennstoff durch die Hauptdüse 36 ein, wenn er gegen die Kraft einer Feder 39 nach unten bewegt wird. Hebt die Feder 39 den Kolben 38 an, dann ermöglicht das verjüngte Ende 35 des Hauptdosierstabes 34 einen anwachsenden Brennstoff-Fluß durch die Hauptdüse 36. Der Unterdruck wird dem Hauptunterdruckkolben 38 durch ein Steuerungsunterdruck-Rohr 40 von einem Unterdruck-Regler 41 zugeführt, der weiter unten beschrieben wird.

Ein Hilfsdosierstab 43 mit einem verjüngten Ende 44 ist mittels eines Hilfsunterdruckkolbens 46 und einer Feder 47 in ähnlicher Weise in einer Hilfs-Dosierdüse 45 angebracht. Eine Verzweigung 49 einer Unterdruckverteilerleitung 50 verbindet den Hilfsunterdruckkolben 46 mit einer Eintrittsöffnung 51 für die Unterdruckverteilerleitung, die sich unterhalb der Drosselklappe 26 im Ansaugkanal 24 befindet. Die Anwendung des in der Verteilerleitung herrschenden Unterdrucks durch die Leitung 49 bewirkt, daß sich der Kolben 46 nach unten gegen die Kraft einer Feder 47 bewegt und auf diese Weise den Stab 43 so bewegt, daß er den Brennstoff-Fluß durch die Düse 45 einschränkt; eine Abnahme des Unterdrucks in der Verteilerleitung bewirkt eine Bewegung des Kolbens 46 und des Stabes 43 in die entgegengesetzte Richtung. Die Feder 47 ist so kalibriert bzw. geeicht, daß sie einen wesentlichen Brennstoff-Fluß durch die Hilfsdüse'45 nur bei einem sehr niedrigen Unterdruck in der Verteilerleitung ermöglicht, der ein Kennzeichen für eine weit geöffnete Drosselklappe darstellt

Eine zusätzliche Dosierdüse 53 und ein zusätzlicher Dosierstab 54 können in der Brennstoffkammer 23 außerdem für Eich- oder Ausgleichszwecke vorgesehen werden.

Eine andere Verzweigung 56 der Unterdruckverteilerleitung 50 legt den in der Verteilerleitung herrschenden Unterdruck an den Unterdruckregler 41, der irgendeine nach dem Stand der Technik wohlbekannte Vorrichtung sein kann und der, wenn er mit einem variablen Unterdruck und einem variablen elektrischen Eingangssignal versorgt wird, als Ausgang einen geregelten Unterdruck liefert, der sich in Übereinstimmung mit dem elektrischen Eingangssignal verändert. Zu Erläuterungszwecken ist eine solche bekannte Vorrichtung dargestellt.

Wie in F i g. 2 und 3 gezeigt, umfaßt ein Unterdruckregler 41 ein Gehäuse 57, das eine Einlaßvorrichtung 58

ίο für den in der Verteilerleitung herrschenden Unterdruck besitzt, die mit der Verzweigung 56 der Unterdruckverteilerleitung 50 verbunden ist und sich durch eine Unterdruckeinlaßöffnung 60 zu einer Unterdruckkammer 61 hin öffnet. Das Steuerungsunterdruck-Rohr 40 ist mit einer Steuerungsunterdruckauslaßöffnung 62 im Gehäuse 57 verbunden, die sich ebenfalls zur Unterdruckkammer 61 hin öffnet.

Ein Ventilschaft 64 wird im Gehäuse 57 von einer Feder 63, die auf ihn eine nach oben gerichtete Kraft ausübt, und von einem ringförmigen Diaphragma 65 getragen, das mit seinem inneren Rand 66 am Ventilschaft 64 und mit seinem äußeren Rand 67 am Gehäuse 57 befestigt ist und dicht abschließt, so daß das Diaphragma 65 die obere Wand der Unterdruckkammer 61 und die untere Wand einer Kammer 69 bildet, die sich durch die öffnung 70 hindurch zur Außenluft hin öffnet.

Der Schaft 64 ist in der Nähe seines oberen Endes mit einem magnetisch empfindlichen Element 68 versehen und wird in der Kammer 69 und unterhalb des Elementes 68 von einer feststehenden Spule 71 umgeben, an die das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 22 angelegt wird.

Der Ventilschaft 64 weist einen inneren, sich durch ihn in axialer Richtung hindurch erstreckenden Kanal 73 auf, der ein Ende 74, das zur Kammer 69 hin offen ist, und ein anderes Ende 75 besitzt, das einen Ventilsitz 76 bildet und sich zur Unterdruckkammer 61 hin öffnet. Ein Ventilelement 78, das sich in den Ventilsitz 76 hinein- und aus ihm herausbewegen kann, ist über ein starres Verbindungsglied 79 mit einem anderen Ventilelement 80 so verbunden, daß es sich mit ihm bewegt, wobei das Ventilelement 80 sich in einen Ventilsitz 81 in der Unterdruckeinlaßöffnung 60 hinein- bzw. aus ihm herausbewegen kann.

Es gibt eine axiale Lage des Ventilschaftes 64, die in F i g. 3 dargestellt ist und in der beide Ventilelemente 78 und 80 die betreffenden Ventilsitze. 76 und 81 abschließen. Wird der Ventilschaft 64 aus dieser Position nach oben bewegt, so wird das Ventilelement 80 aus dem Ventilsitz 81 herausbewegt und ermöglicht so, daß mehr von dem in der Verteilerleitung herrschenden Unterdruck vom Einlaß 58 in die Unterdruckkammer 61 gelangt.

Bewegt sich jedoch der Ventilschaft 64 in die entgegengesetzte Richtung, so wird der Ventilsitz 76 vom Ventilelement 78 weggezogen und ermöglicht es Luft, die unter Atmosphärendruck steht in die Unterdruckkammer 61 einzuströmen. Der Ventilschaft 64 wirkt mit dem Diaphragma 65 und der Spule 71 so zusammen, daß er eine Stellung einnimmt in der die nach unten gerichteten auf den Schaft 64 einwirkenden Kräfte, die von dem Unterschied zwischen dem Atmosphärendruck in der Kammer 69 und dem niedrigeren Druck in der Unterdruckkammer 61 herrühren, und die auf das Element 68 einwirkende elektromagnetische Kraft die von der Stärke des Stroms abhängt der durch die Spule 71 fließt, mit der

nach oben gerichteten Kraft, die auf den Ventilschaft einwirkt und von der Feder 63 herrührt, im Gleichgewicht gehalten werden. Auf diese Weise wird das Unterdrucksignal bzw. der Unterdruck, der an dem Steuerunterdruck-Auslaß 62 auftritt, durch den Eingangsstrom der Spule 71 eingestellt und durch eine innere Rückkopplungsregelung, die das Diaphragma 65 und die Ventilelemente 78 und 80 umfaßt, über alle Werte des in der Verteilerleitung herrschenden Unterdrucks, die größer sind, als der erwünschte Wert des Steuerunterdrucks, hinweg aufrechterhalten.

Im Betrieb, wenn der Motor 2 läuft und die Meßfühler 8 und 10 auf Arbeitstemperatur aufgeheizt sind, werden die Signale Zl und Z 2, die ein Maß für die Luft-Brennstoff-Verhältnisse darstellen, die von den Meßfühlern 8 und 10 registriert werden, in der oben beschriebenen Weise in den Schaltungselementen 11 bis 22 zusammengefaßt, um einen elektrischen Strom zu erzeugen, der im Unterdruck-Regler 41 in analoge Unterdruckwerte umgesetzt wird, die auf den Hauptunterdruckkolben 38 einwirken und so die Lage des Hauptdosierstabes 34 verändern. Die Polaritäten der Verbindungen sind so gewählt, daß ein hoher Ausgangsstrom des Leistungsverstärkers 22 einen niederen Ausgangsunterdruck des Unterdruckreglers 41 erzeugt, der es seinerseits dem Dosierstab 34 ermöglicht, sich nach oben zu bewegen und die Hauptdüse 36 zu öffnen. Ein abnehmender Ausgangsstrom des Leistungsverstärkers 22 erzeugt andererseits einen wachsenden Steuerunterdruck, der auf den Kolben 38 einwirkt, welcher den Hauptdosierstab 34 nach unten zieht, um so die Dosierdüse 36 zu schließen und so ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch an den Motor 2 zu liefern.

Während des Betriebes mit weit geöffneter Drosselklappe ist es allgemein wünschenswert, daß das Luft-Brennstoff-Gemisch fetter werden kann, als es normalerweise für die maximale Leistung erforderlich ist. Wie oben erwähnt, ermöglichen es der Dosierstab 43 und die Dosierdüse 45 dem Luft-Brennstoff-Gemisch, fetter zu werden, wenn ein Abfall des in der Verteilerleitung herrschenden Unterdrucks einen Betrieb mit weit geöffneter Drosselklappe anzeigt. Da ein fettes Gemisch erwünscht ist, ist es zusätzlich wünschenswert, die rückgekoppelte Regelung aufzuheben, die sonst versuchen würde, das Luft-Brennstoff-Verhältnis in das Konverter-Fenster zurückzubringen. Dies wird in dieser Ausführungsform automatisch erreicht, da der Abfall des in der Verteilerleitung herrschenden Unterdrucks, der einen Betrieb mit weit geöffneter Drosselklappe anzeigt, einen Verlust an Steuerunterdruck bewirkt, der an den Kolben 38 angelegt wird, welcher es der Hauptdüse 36 ermöglicht, sich unabhängig von dem elektrischen Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 22 vollständig zu öffnen. Bei anderen Ausführungsformen wie z. B. einem Brennstoff-Einspritzsystem, in dem ein in der Verteilerleitung herrschender Unterdruck in der Regelschleife keine Verwendung findet, könnte ein Schalter, der von einer weit geöffneten Drosselklappe betätigt wird, an den Kraftverstärker 22 ein elektrisches Signal abgeben, das das Eingangssignal, das der Leistungsverstärker vom Summier-Knotenpunkt 20 erhält, unwirksam macht und das gewünschte Ausgangssignal erzeugt, das es dem Gemisch ermöglicht, fett zu werden.

Fig.4 zeigt in Form eines Stromlaufplanes eine bevorzugte Ausführung des Steuerungs-Logiksystems, das in der F i g. 1 mit den Elementen 11 bis 22 beschrieben ist Eine nicht dargestellte, geregelte Spannungsquelle liefert durch die Serienwiderstände 83 und 84 bei einer geregelten Spannung V Strom an die negative Eingangsklemme eines Operationsverstärkers 85. Das Signal Z2 wird an die Verbindungsstelle 86 zwischen den Widerständen 83 und 84 angelegt; die konstante Bezugsspannung R 2, die in einer nicht dargestellten Vorrichtung erzeugt wird, wird über einen Widerstand 88 an den positiven Eingang des Operationsverstärkers 85 gelegt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 85 ist über einen Kondensator 89 auf den negativen Eingang des Operationsverstärkers 85 rückgekoppelt und liegt an einem Teilernetzwerk, das die Widerstände 90,92 und 93 umfaßt, von denen jeder mit einem Ende mit der Verbindungsstelle 94 und mit dem anderen Ende jeweils mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 85, mit der geregelten Spannung V und mit der Masse bzw. Erde verbunden ist. Die Verbindungsstelle 94 ist über einen Widerstand 96 mit dem negativen Eingang eines Komparators 97 verbunden.

Das Signal Z1 ist an die Verbindungsstelle 98 eines Widerstandes 100, dessen anderes Ende mit der geregelten Spannung V verbunden ist, mit einem Widerstand 101 gelegt, dessen anderes Ende mit dem positiven Eingang des Komparators 97 verbunden ist.

Der Ausgang des Komparators 97, der in Abhängigkeit von den Eingangssignalen eine niedere oder hohe Spannung zeigt, ist über einen Widerstand 102 mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers 104 verbunden. Eine Referenzspannung R 3 wird über einen Widerstand 105 an den positiven Eingang des Operationsverstärkers 104 gelegt; ein Kondensator 106 liefert eine Rückkopplung vom Ausgang zum negativen Eingang des Operationsverstärkers 104. Die Referenzspannung R 3 wird durch übliche, nicht dargestellte Vorrichtungen erzeugt und, wie bereits festgestellt, auf ein Niveau eingestellt, das in der Mitte zwischen der niedrigen und der hohen Ausgangsspannung des Komparators 97 liegt, so daß das Signal, das integriert wird, nämlich die Differenz zwischen den Spannungen am positiven und am negativen Eingang des Operationsverstärkers 104, einen konstanten Absolutbetrag gleich der Hälfte des Unterschiedes zwischen der hohen und der niederen Ausgangsspannung des Komparators 97 und ein Vorzeichen besitzt, das zwischen »positiv« und »negativ« wechselt, wenn sich das Ausgangssignal des Komparators 97 ändert. Die eben beschriebenen Bauelemente 102 bis 106 entsprechen den Elementen 15 und 16 aus F i g. 1. Der Ausgang des Operationsverstärkers 104 ist über einen Widerstand 108 mit dem Summier-Knotenpunkt 20 verbunden, der ebenfalls über einen Widerstand 110 mit der Erde bzw. Masse verbunden ist.

Das Signal Z1 wird außerdem über einen Widerstand 112 mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers 113 verbunden. Eine Bezugsspannung R 1, die mit üblichen, nicht dargestellten Vorrichtungen erzeugt wird, wird über einen Widerstand 114 an den positiven Eingang des Operationsverstärkers 113 angelegt; ein Widerstand 115 liefert eine Rückkopplung vom Ausgang zum negativen Eingang des Operationsverstärkers 113. Die Referenzspannung Al wird so gewählt, daß der Operationsverstärker 113 ein Ausgangssignal 0 liefert, wenn Z1 einen Wert annimmt, der der Mitte des Konverter-Fensters entspricht Der Operationsverstärker 113 mit der dargestellten widerstandsmäßigen Rückkopplung auf die Eingänge liefert ein Proportional-Regel- bzw. Proportional-Steuersignal

aufZl.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 113 ist über einen Widerstand 117 und parallel hierzu über einen Kondensator 118 und einen mit diesem in Serie liegenden Widerstand 119 mit dem Summier-Knotenpunkt 20 verbunden. Diese Elemente stellen den Eingangswiderstand zu dem Summier-Knotenpunkt 20 dar und führen eine Phasenvoreilung in den Proportionalkanal ein, von dem sie einen Teil bilden.

Der Summier-Knotenpunkt 20 ist mit dem positiven Eingang eines Operationsverstärkers 121 verbunden, dessen Ausgang über einen Widerstand 122 mit der Basis eines Leistungstransistors 123 verbunden ist, dessen Kollektor über die Spule 71 des Unterdruckreglers 41 mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden ist, die eine ungeregelte Spannung B besitzt, die von der Standardbatterie des Fahrzeuges oder von der Lichtmaschine stammen kann. Der Emitter des Transistors 123 ist über einen Widerstand 125 mit der Masse bzw. Erde und über einen Widerstand 126 mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 121 verbunden. Der Leistungstransistor 123 kann ein einzelner oder mehrere miteinander kombinierte Transistoren wie z. B. ein Darlington-Paar sein, je nachdem welche Kombination erforderlich ist, um den Treiberstrom für die Spule 71 zu handhaben. Ein Kondensator 127 ist vorgesehen, der den Ausgang mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 121 verbindet.

Die Elemente 121 bis 127 umfassen eine Stromquelle, die dazu dient, aus dem Kollektor des Transistors 123 einen geregelten Ausgangsstrom zu liefern, der sich in Übereinstimmung mit der Spannung am Summier-Knotenpunkt 20 ändert. Die Regelung des Ausgangsstromes ist erforderlich, um ihn gegenüber temperaturbedingten Änderungen des Widerstandes der Spule 71 und Änderungen in der nichtgeregelten Spannung B unempfindlich zu machen. Der Kondensator 127 ist eingefügt, um Schwingungen herauszudämpfen.

Beim Betrieb des Systems erzeugen Zirkonerde-Meßfühler wie die Meßfühler 8 und 10 so lange kein brauchbares Ausgangssigna!, bis sie durch die Auspuffgase auf eine minimale Arbeitstemperatur in der Gegend von 430⁰C aufgeheizt sind. Deshalb muß beim Kaltstartbetrieb eine nicht rückgekoppelte Steuerung für das System vorgesehen werden. Die oben beschriebenen Widerstände 83 und 100 werden, wenn sich die Meßfühler 8 und 10 unterhalb der Arbeitstemperatur befinden, in der Weise wirksam, daß sie an Stelle von Z2 und ZX Vorspannungen an die negativen Eingänge der Operationsverstärker 85 bzw. 113 liefern. Die Werte der Widerstände 83 und 100 sind so ausgewählt, daß sie Vorspannungen erzeugen, die das System dazu bringen, mit einem möglichst mageren Gemisch zu arbeiten, so daß das tatsächliche Luft-Brennstoff-Verhältnis für den Motor durch einen Choke oder einen anderen Standardmechanismus gesteuert werden kann, der vom Regelsystem getrennt ist.

Eine nicht rückgekoppelte Steuerung kann ebenso beim Betrieb mit geschlossener Drosselklappe wünschenswert sein. Ein von einem Schalter, der von der geschlossenen Drosselklappe betätigt wird, ausgehendes elektrisches Signal, das den Leistungsverstärker 22 abschaltet, bewirkt, daß die Hauptdüse 36 nahe an ihre »magere« Grenze herankommt, und ermöglicht es, den üblichen Leerlaufdüsen, das Luft-Brennstoff-Verhältnis für den Leerlauf zu bestimmen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Gebrauch mit einer Brennkraftmaschine, die einen katalytischen Konverter besitzt, der, wenn ihm von der Maschine Auspuffgase zugeführt werden, die oxydierende und reduzierende Wirkstoffe in einem bestimmten Verhältnis enthalten, dahingehend wirkt, daß er eine bestimmte Reaktion zwischen diesen Wirkstoffen beschleunigt, der aber auch hinsichtlich Veränderungen in der Zusammensetzung der Auspuffgase Zeitverzögerungseffekten unterliegt, wobei diese Vorrichtung Mittel zur Erzeugung eines das Luft-Brennstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zuzuführenden Gemisches beeinflussenden ersten Signals umfaßt, das für den Anteil von wenigstens einem der Wirkstoffe in den Auspuffgasen stromauf des Konverters kennzeichnend ist und wobei die das erst:: Signal erzeugenden Mittel beim Betrieb in einem rückgekoppelten Regelkreis zeitbezogenen Drifterscheinungen unterliegen, gekennzeichnet durch Vorrichtungen (10) zur Erzeugung eines zweiten Signals, das für den Anteil dieses einen Wirkstoffes in den Auspuffgasen stromab des Konverters kennzeichnend ist, wobei die das zweite 2s Signal erzeugenden Vorrichtungen in bezug auf die das erste Signal erzeugenden Mittel ein auf den katalytischen Konverter bezogenes, zeitverzögertes Ansprechverhalten aufweisen, und durch Einrichtungen (11 bis 22, 41, 34, bis 38), die dazu dienen, kontinuierlich die Zufuhr von Brennstoff und Luft zu dem Motor so einzustellen, daß das Verhältnis von oxydierenden und reduzierenden Wirkstoffen in den Auspuffgasen nach Maßgabe der Abweichung des ersten Signals vom zeitlichen Integral des Ausmaßes J5 verändert wird, um das das zweite Signal von einem festen Bezugswert abweicht, wobei diese Einstellung so vorgenommen wird, daß die Abweichung des Verhältnisses von oxydierenden und reduzierenden Wirkstoffen in den Auspuffgasen von diesem bestimmten Verhältnis verringert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (12), die auf das zweite Signal ansprechen, so angeordnet sind, daß sie ein drittes Signal erzeugen, das sich mit dem zeitlichen Integral des zweiten Signals verändert, daß Einrichtungen (14), die auf das erste und das dritte Signal ansprechen, so angeordnet sind, daß sie ein viertes Signal erzeugen, das einen Wert annimmt, wenn das erste Signal das dritte Signal übersteigt, und das einen anderen Wert annimmt, wenn das dritte Signal das erste Signal übersteigt, und dadurch, daß die Einrichtungen zur kontinuierlichen Einstellung der Brennstoff-Luft-Zufuhr zum Motor auf dieses vierte Signal ansprechen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (12), die auf das zweite Signal ansprechen, aus einem ersten Integrator bestehen, daß die Einrichtungen (14), die auf das erste und dritte Signal ansprechen, aus einem t>o Komparator bestehen und daß die Einrichtengen (16), die auf das vierte Signal ansprechen, aus einem zweiten Integrator bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (18), die auf das erste μ Signal ansprechen, so angeordnet sind, daß sie ein sechstes Signal erzeugen, das sich mit dem ersten Signal verändert und eine Phasenvoreilung in bezug auf das fünfte Signal aufweist, und daß die Einrichtungen zur kontinuierlichen Einstellung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses auf dieses fünfte und sechste Signal ansprechen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (14) ein Ausgangssignal erzeugt, das einen festen Absolutwert besitzt und ein erstes Vorzeichen annimmt, wenn das erste Signal das Ausgangssignal des ersten Integrators übersteigt, und das ein zweites Vorzeichen annimmt, wenn das Ausgangssignal des ersten Integrators das erste Signal übersteigt