DE2547576A1

DE2547576A1 - Vorrichtung zur steuerung des luft-brennstoff-verhaeltnisses fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2547576A1
Application number: DE19752547576
Authority: DE
Inventors: Makoto Anzai
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1974-10-25
Filing date: 1975-10-23
Publication date: 1976-04-29
Also published as: GB1488180A; CA1077154A; US4379441A

Description

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

D-8000 München 22 D-4800 Bielefeld

Triftstraße 4 Siekerwall 7

PG 23-75124
St/st

^{2 3}· Ott. 1975

Nissan Motor Company, Limited Nr. 2, Takara-machi, Kanagawa-ku Yokohama-City, JAPAN

Vorrichtung zur Steuerung des Luft- Brennstoff-Verhältnisses für eine Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur Feedback-Steuerung der Zufuhr eines optimalen Luft-Brennstoff-Gemisches zu einer Brennkraftmaschine auf der Basis der Abtastung eines Bestandteiles des Auspuffgases der Maschine, und insbesondere eine derartige Feedback-Steuerung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Es sind verschiedene Systeme für die Zufuhr eines optimalen Luft-Brennstoff-Gemisches zu einer Brennkraftmaschine in Anpassung an deren Betriebszustand vorgeschlagen worden. Eines dieser Systeme umfaßt eine Feedback- oder Rückkopplungssteuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Luft-Brennstoff-Gemisches, das der Brennkraftmaschine zugeführt wird, auf der Basis einer Abtastung eines Beständteiles des Auspuffgases

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der Brennkraftmaschine. Dieses System umfaßt im allgemeinen einen Sensor, beispielsweise einen Sauerstoff-Sensor, zum Abtasten eines Bestandteiles des Auspuffgases der Brennkraftmaschine. Der Sensor ist in der Auspuffleitung angeordnet und erzeugt ein elektrisches Signal, das für den abgetasteten Bestandteil repräsentativ ist. Ein Differentialsignalgenerator ist mit dem Sensor zur Erzeugung eines Signals verbunden, das repräsentativ ist für einen Differentialwert zwischen dem Signal des Sensors und einem Vergleichssignal. Das Vergleichssignal wird vorher festgelegt, beispielsweise unter Berücksichtigung einer optimalen Zufuhr eines Luft-Brennstoff-Gemisches zu der Brennkraftmaschine zur Maximierung der Effektivität eines katalytischen Reaktors. Dieses System umfaßt weiterhin ein Steuerorgan, das eine Integrationsschaltung einschließt, beispielsweise ein p-i-(proportionaMntegral)-Steuerorgan mit einer Integrationsschaltung, die mit dem Differentialsignalgenerator verbunden ist, und ein weiteres Steuerorgan zur Erzeugung eines Steuersignales, das mit dem p-i-Steuerorgan verbunden ist, wobei das Steuersignal einem Luft-Brennstoff-Regler zur Zufuhr eines optimalen Luft-Brennstoff-Gemisches zu der Brennkraftmaschine zugeführt wird.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, das oben erwähnte Steuerorgan, beispielsweise das p-i-Steuerorgan zu verbessern und zu vereinfachen, ohne dessen Effektivität zu beeinträchtigen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Feedback-Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Brennstoff-Gemisches umfaßt einen Sensor zum Abtasten eines Bestandteiles des Auspuffgases, der ein für diesen repräsentatives Signal abgibt, einen Differentialsignalgenerator in Verbindung mit dem Sensor, der ein elektrisches Differentialsignal entsprechend dem Differenzwert zwischen dem Signal des Sensors und einem Vergleichssignal abgibt, ein Steuerorgan, «das eine Integrationsschaltung umfaßt, die mit dem Differentialsignalgenerator verbunden ist, und ein weiteres Steuerorgan zur Erzeugung eines Steuersignales, das mit dem ersten Steuerorgan (beispielsweise dem p-i-Steuerorgan) verbunden ist und dessen Steuersignal an einen Regler zur

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Steuerung des Luft-Brennstoff-Gemisches und zur Zufuhr eines optimalen Gemisches zur Brennkraftmaschine gelangt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsschaltung eine Schaltung mit einer Zeitverzögerung erster Ordnung ist, die einen Widerstand und einen Kondensator umfaßt.

Durch die erfindungsgemäße Lösung werden in das p-i-Steuerorgan anstelle einer komplizierten Schaltung eine oder zwei einfache Schaltungen eingefügt, so daß das p-i-Steuerorgan und damit das gesamte System vereinfacht wird, ohne daß die Effektivität verschlechtert wird.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 'zeigt ein herkömmliches Feedback-Steuerorgan zur Zufuhr eines optimalen Luft-Brennstoff-Gemisches zu einer Brennkraftmaschine auf der Basis der Abtastung eines Bestandteiles des Auspuffgases der Maschine;

Fig. 2 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung verschiedener Wellenformen, die durch die verschiedenen Elemente der Fig. 1 erzeugt werden;

Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaltdiagramm der Elemente des Systems der Fig. 1;

Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaltdiagramm entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 zeigt ein Schaltdiagramm entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6a,sind Diagramme zur Veranschaulichung von Wellen-6b,7a formen zur Erläuterung des Betriebs des Dia- und 7b gramms der Fig. 5.

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In Fig. 1 und 2 ist schematisch ein herkömmliches Feedback- oder Rückkopplungs-Steuersystem (Fig.1) veranschaulicht, während Fig. 2 verschiedene Wellenformen zeigt, die in verschiedenen Elementen des Systems der Fig. 1 entwickelt oder von diesen abgeleitet werden. Das Feedback-Steuersystem ist kurz gesagt darauf ausgelegt, ein optimales Luft-Brennstoff-Gemisch an eine Brennkraftmaschine 8 zu liefern. Ein Sensor 1o, wie etwa ein Sauerstoff-Analysator, zum Abtasten eines Bestandteils des Auspuffgases ist derart in einer Auspuffleitung 12 angeordnet, dass er mit dem Auspuffgas in Berührung kommt. Ein elektrisches Signal des Sensors 1o gelangt an einen Differentialsignal-Generator 14, der ein elektrisches Signal erzeugt, das einem Differenzwert zwischen dem Signal des Sensors 1o und einem Vergleichssignal entspricht. Ein Teil der Wellenform des Signals des Sensors 1o ist mit A in Fig. 2 bezeichnet. Das Vergleichssignal, das in Fig.2 mit B gekennzeichnet ist, wird zuvor festgelegt unter Berücksichtigung der optimalen Zufuhr eines Luft-Brennstoff-Gemisches zu der Brennkraftmaschine 8 zur Maximierung der Effektivität eines katalytischen Reaktors 16 usw. Das Signal, das repräsentativ ist für den Differenzwert des Differentialsignal-Generators 14, gelangt sodann zu einem p-i-(proportional-integral) Steuerorgan 18. Die Verwendung eines derartigen p-i-Steuerorgans 18 ist bekannt zur Verbesserung der Effektivität des Feedback-Steuersystems und - in anderen Worten - zur Beschleunigung eines Momentanansprechens und zur Gewinnung einer hohen Stabilität des Systems. Das Ausgangssignal des p-i-Steuerorgans 18 ist in Fig. 2 mit C bezeichnet. Es gelangt zu der nächsten Stufe, d.h. , zu einem Impulsgenerator 2o, der ebenfalls Signale in Wellenform, beispielsweise Sägezahnwellen (D in Fig. 2) von einem Sägezahnwellen-Generator 22 aufnimmt und eine Reihe von Impulsen erzeugt, wie sie in Fig. 2 mit E bezeichnet sind.Die Länge jedes Impulses der Impulsreihe E entspricht der Zeit, um die das Signal D länger als das Signal C ist, wie in Fig. 2 schematisch angedeutet ist. Die Impulsreihe E gelangt sodann an elektromagnetische Ventile 24 und 2 6 zur Steuerung der öffnung und Schließung dieser Ventile, so daß beispielsweise die Spitzen-und Basiswerte der Impulse E die Ein-und Aus-Stellung der Ventile steuern. Die Ventile 24 und 26 sind verbunden mit der Haupt- und Leerlauf-

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Zusatz luftkaimmer 28 und 3o und regeln somit die Menge der Luft, die dem Brennstoff aus der Schwimmerkammer 32 zugemischt wird. Das Luft-Brennstoff-Gemisch wird auf diese Weise gesteuert und an die Brennkraftmaschine 8 durch die Düsen 34 und 36 abgegeben. In Fig. 1 sind nur zwei elektromagnetische Ventile 24 und 26 in Verbindung mit den beiden Zusatzluftkammern 28 und 3o dargestellt, jedoch können weitere, nicht gezeigte elektromagnetische Ventile in der Brennstoffleitung vorgesehen sein, die die Menge des mit der Luft vermischten Brennstoffes regeln.

In Fig. 3 sind der herkömmliche Differentialsignal-Generator 14 und das p-i-Steuerorgan 18 gem. Fig. 1 im einzelnen gezeigt. Eine Klemme 5o ist mit dem Sensor 1o verbunden und nimmt das elektrische Signal von diesem auf und leitet es an einen Transistor-Verstärker 52. Der Verstärker 52 ist vorzugsweise ein FET-(Feldeffekt-Transistor) wegen seiner hohen Eingangsimpedanz. Die Source des Verstärkers 52 ist direkt mit einer einen positiven Strom führenden Klemme 57 verbunden, und die D.rain des Verstärkers 52 ist über einen Widerstand 54 geerdet. Das Ausgangssignal des Verstärkers 52 gelangt über einen Widerstand 56 an eine Eingangsklemme 7o eines Funktionsverstärkers 62. Andererseits gelangt an die andere Klemme 72 des Funktionsverstärkers 62 eine fest Spannung, die sich an einem Knotenpunkt 59 zwischen Widerständen 58 und 6o bildet, die als Spannungsteilerdienen. Die Ausgangsklemme des Verstärkers 62 ist über einen Rückkopplungswiderstand 64 mit der Klemme 7o verbunden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 62 gelangt an eine herkömmliche Integrationsschaltung 8o , die in diesem Falle zwei Funktionsverstärker 82 und 84, Widerstände (ohne Bezugsziffern) und Kondensatoren (ohne Bezugsziffern) umfasst. Die Integrationsschaltung 8o erzeugt ein Ausgangssignal mit idealen Integrationseigenschaften. Eine genaue Beschreibung der herkömmlichen Integrationsschaltung 8o ist nicht erforderlich, so daß sie zur Vereinfachung fortgelassen werden kann. Das Ausgangssignal der Integrationsschaltung 8o gelangt durch einen Widerstand 88 zu einer Addierschaltung, der ebenfalls das Ausgangssignal des Verstärkers 62 über einen Widerstand 86 zugeführt wird. Auf diese Weise entsteht das Signal C gem. Fig. 2 an einer Ausgangsklemme 92. Die Ausgangsklemme 92 ist über einen

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Rückkopplungs-Widerstand 94 mit einer Klemme der Addierschaltung verbunden, wie es dargestellt ist, und die andere Klemme ist geerdet.

Nunmehr soll auf Fig. 4 Bezug genommen werden, die ein erstes bevorzugtes p-i-Steuerorgan 18' zeigt, das für die Erfindung verwendbar ist. Die Schaltung gem. 4 ist ähnlich wie die der Fig. 3; ausgenommen, daß die Integrationsschaltung 8o der Fig. 3 durch eine Schaltung 1oo ersetzt ist. JDiLe Schaltung 1oo ist eine Kombination aus einem Widerstand 1o2 und einem Kondensator 1o4, so daß sie, wie bekannt, die Charakteristik einer Zeitverzögerung erster Ordnung aufweist. Die Verwendung der Schaltung 1oo anstelle der Integrationsschaltung 8o beruht darauf, daß die Impulsdauer des Signals des Sensors 1o äußerst gering ist, so daß ein idealer Integrator, wie die Integrationsschaltung 8o, nicht unbedingt erforderlich ist. Aufgrund des obigen Austausches der Integrationsschaltung 8o durch die Schaltung 1oo ergibt sich eine beträchtliche Vereinfachung der Schaltung des p-i-Steuerorgans bei geringeren Kosten. Selbstverständlich sind die Kapazität des Kondensators 1o4 und der Widerstand des Widerstandes 1o2 so gewählt, daß sie die günstigsten Werte unter Berücksichtigung des Betriebs des gesamten Systems aufweisen.

In Fig. 5 ist ein zweites bevorzugtes p-i-Steuerorgan gemäß der'Erfindung gezeigt. Der Unterschied gegenüber dem Steuerorgan der Fig. 4 besteht darin, daß im Falle der Fig. 5 ein Schwellwertbegrenzer 2oo hinzugefügt ist. Der Zweck des Schwellwertbegrenzers 2oo besteht darin, eine günstigere Integrationscharakteristik im Vergleich zu der Schaltung 1oo der Fig.4 zu erzielen. Vor einer Erläuterung des Schwellwertbegrenzers 2oo soll das Grundkonzept der zweiten bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit Fig. 6a und 6b erläutert werden. In Fig. 6a ist die Ansprechkurve der Schaltung 1oo schematisch durch eine durchgezogene Linie F gekennzeichnet, während die Kennlinie eines idealen Integrators wie der Integratorschaltung 8o durch die gestrichelte Linie G angegeben ist. Daher nimmt die Aus gangs spannung der Schaltung 1oo, die der Addierschaltung 9o zugeführt wird, mit der Zeit mehr und mehr ab.

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Zur Überwindung dieser Schwierigkeit, die mit der Schaltung 1oo auftritt, wird ein Spitzenbereich der Welle F abgeflacht oder begrenzt auf eine Höhe V_S/wie es in Fig. 6b gezeigt ist. Gem. Fig. 6b sind, sofern eine Fläche H gleich einer Fläche I ist, die beiden Arten der Spannungen, die an die Addierschaltung 9o während der Zeit von T_Q bis Ti gelangen, im Durchschnitt miteinander gleich. Daher kann der Nachteil der nicht linearen Charakteristik der Schaltung 1oo durch die genannte Art der Wellenumformung ausgeglichen werden. Dies könnte ebenfalls dadurch geschehen, daß nur der Basisbereich einer Schwell-Wertbegrenzung untergeworfen wird.

In Fig. 5 ist die Schaltanordnung des Schwellwertbegrenzers 2oo genauer gezeigt. Es ist erkennbar, daß erste und zweite Spannungsteiler2o7 und 211 zwischen der positiven Stromversorgungsklemme 57 und Masse vorgesehen sind. Die beiden Spannungsteilerumfassen Widerstände 2o6, 2o8 und 21o, 212. Ein Knotenpunkt 214 des ersten Spannungsteilers 2o7 ist verbunden mit der Katode einer Diode, deren Anode ihrerseits mit einem Knotenpunkt 218 zwischen dem Widerstand 1o2 und dem Kondensator 1o4 in Verbindung steht. Auf der anderen Seite ist ein Knotenpunkt 216 des zweiten Spannungsteilers 211 mit der Anode einer weiteren Diode 2o4 verbunden, deren Katode ihrerseits mit dem Knotenpunkt 218 in Verbindung steht. Die geteilten Spannungen an den Knotenpunkten 214 und 216 sollen mit v-| und V2 zur Erleichterung der weiteren Erläuterungen bezeichnet werden.

Die Arbeitsweise des Schwellwertbegrenzers 2oo soll im folgenden anhand von Fig.7a und 7b erläutert werden. Ein Signal mit einer beispielsweise rechtwinkligen Wellenform (Fig.7a) gelangt von dem Differentialsignalgenerator 14 an die Schaltung 1oo. Beim Fehlen des Schwellwertbegrenzers 2oo ist die Wellenform des Ausgangssignals, das sich an dem Knotenpunkt 218 entwickelt, ähnlich der Wellenform F in Fig. 6a. Wegen der Verwendung des Schwellwertbegrenzers ist jedoch die Spannung des Ausgangssignals, die an dem Knotenpunkt 218 entsteht, gleich ν 2 (bei T₀), indem die Spannung an dem Knoten-

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punkt 218 bei V2 auch dann gehalten wird, wenn das Signal des Differentialsignalgenerators 14 eine geringere Spannung als V2 aufweist. Sodann steigt die Spannung an dem Knotenpunkt 218 nach und nach bis auf vi an, wie in Fig. 7b gezeigt ist, und verbleibt bei diesem Wert während einer Zeitdauer von Ti bis T2· Dies beruht darauf, daß eine höhere Spannung als ν·) an dem Knotenpunkt 218 nicht erzeugt werden kann, da die Katode der Diode 2o2 eine Vorspannung von v-j aufweist. Zum Zeitpunkt T2 sinkt die Spannung nach und nach bis auf den Wert V2, da die Anode der Diode 2o4 eine Vorspannung von V2 aufweist und verbleibt auf diesem Wert während der Dauer von T3 bis T4. Sodann wiederholt sich der Ablauf.

Daraus ergibt sich, daß der Integrationsvorgang der Schaltung I00 als gleichwertig mit demjenigen der idealen Integrationsschaltung 80 der Fig.3 angesehen werden kann, wenn die Spannungen v^ und V2 des Schwellwertbegrenzers 2oo auf geeigneten Werten gehalten werden. Gem. Fig. 5 wird sowohl eine Begrenzung der Spitze als auch der Basis der Welle durchgeführt, jedoch kann eine der Begrenzungen fortgelassen werden.

Der Funktionsverstärker 62 kann durch ein Element ersetzt werden, das als Komparator wirkt.

Erfindungsgemäß wird also ein vereinfachtes System geschaffen, dessen Effektivität nicht beeinträchtigt ist.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentan sprüche

1.} Vorrichtung zur Feedback-Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Brennstoff-Gemisches, mit einem Sensor zum Abtasten eines Bestandteils des Auspuffgases, der ein für diesen repräsentatives elektrisches Signal abgibt, einem Differentialsignalgenerator in Verbindung mit dem Sensor, der ein elektrisches Differentialsignal entsprechend dem Differenzwert zwischen dem Signal des Sensors und einem Vergleichssignal abgibt, einem p-i-(proportional-integral) -Steuerorgan, das eine Integrationsschaltung umfaßt, die mit dem Differentialsignalgenerator " verbunden ist, und einem weiteren Steuerorgan zur Erzeugung eines Steuersignals, das mit dem p-i-Steuerorgan verbunden ist und dessen Steuersignal an einen Regler zur Steuerung des Luft-Brennstoff-Gemisches und zur Zufuhr eines optimalen Gemisches zur Brennkraftmaschine gelangt, dadurch gekennz eichnet, daß die Integrationsschaltung eine Schaltung(1oo) mit einer Zeitverzögerung erster Ordnung ist, die einen Widerstand (1o2) und einen Kondensator (1o4) umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichn et durch einen Schwellwertbegrenzer (2oo) in Verbindung mit der Schaltung (1oo) zur Begrenzung der Ausgangsspannung der Schaltung im Spitzenbereich und/oder im Basisbereich.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertbegrenzer (2oo) einen Spannnungsteiler (2o7) . " umfaßt, dessen geteilte Spannung mit der Kathode einer Diode (2o2) verbunden ist, deren Anode ihrerseits mit einem Knotenpunkt (218) zwischen dem Widerstand (1o2) und dem Kondensator (1o4) der Schaltung (1oo) in Verbindung steht, wobei die geteilte Spannung die Begrenzung des Spitzenbereiches der Ausgangsspannung bewirkt.

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I. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertbegrenzer (2oo) einen Spannungsteiler (211) umfaßt, dessen geteilte Spannung mit der Kathode einer Diode (2o41) verbunden ist, deren Anode ihrerseits mit einem Knotenpunkt (218) zwischen dem Widerstand (1o2) und dem Kondensator (1o4) der Schaltung (1oo) in Verbindung steht, wobei die geteilte Spannung eine Begrenzung des Basisbereiches der Ausgangsspannung bewirkt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertbegrenzer (2oo) einen ersten Spannungsteiler (2o7 ) und einen zwei- " ten Spannungsteiler (211) umfaßt, daß die geteilte Spannung des ersten Spannungsteilers mit der Kathode einer Diode (2o2) verbunden ist, deren Anode ihrerseite mit einem Knotenpunkt (218) zwischen dem Widerstand (1o2) und dem Kondensator (1o4) der Schaltung (1oo) verbunden ist, daß die geteilte Spannung des zweiten Spannungsteilers mit der Anode einer weiteren Diode (2o4) verbunden ist, deren Kathode ihrerseits mit dem Knotenpunkt (218) verbunden ist, daß die erste geteilte Spannung höher als die zweite geteilte Spannung ist, und daß die erste und die zweite geteilte Spannung eine Begrenzung des Spitzenbereiches und des Basisbereiches der Ausgangsspannung bewirten.

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