DE2606625C2 - Einrichtung zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgase von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgase von Brennkraftmaschinen durch Regelung des Masseverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Betriebsgemisches mit Hilfe einer die Abgaszusammensetzung erfassenden Abgasmeßsonde, insbesondere einer Sauerstoffmeßsonde, deren Ausgangssignal einem eine Gemischverstellvorrichtung ansteuernden Regelverstärker mit Integralverhalten über einen Schwellwertschalter zugeführt wird, dessen Schaltstellung die Integrationsrichtung des Regelverstärkers bestimmt, wobei ein vom Zeitablauf nach dem jeweiligen Umschalten des Schwellwertschalters abhängiges Signal erzeugt wird, von dem abhängig der elektrische Eingangswert des Integrators im Sinne einer Änderung der Zeitkonstanten der Integrationseinrichtung beeinflußt wird.

Ein Regelungsverfahren, bei dem in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Abgasmeßsonde eine Vergrößerung bzw. Verringerung der im Gemischerzeuger anteilig zugegebenen Kraftstoffmenge bzw. Luftmenge erzielt wird, hat den Nachteil, daß die exakte Regelung eines gewünschten Gemisches durch die Totzeit, in der das erzeugte Gemisch die Brennkraftmaschine passiert und zur Abgasmeßsonde gelangt, beeinflußt wird. Die nach obigem Vorschlag betriebenen Gemischregeleinrichtungen weisen Integralverhalten auf, so daß bei längerer Abweichung vom Soll-Wert der Abgaszusammensetzung eine immer stärkere Korrektur des Masseverhältnisses Kraftstoff/Luft des Betriebsgemisches der Brennkraftmaschine vorgenommen wird. Dies hat zur Folge, daß mit wachsender Totzeit bzw. mit geringer werdender Durchsatzgeschwindigkeit des Gemisches eine stärker werdende Abweichung der Abgaszusammensetzung von einem gewünschten SoIlwert jeweils in der einen oder anderen Richtung auftritt Es kommt also in Abhängigkeit von der Drehzahl zu ständig wechselnden Abgaszusammensetzungen, die insbesondere bei geringen Drehzahlen entsprechend dem Leerlauf der Brennkraftmaschine lästige periodisehe Schwankungen der Drehzahl (»Sägen«) mit sich bringen.

Es ist eine Einrichtung der eingangs genannten Art durch die DE-OS 22 06 276 bekannt Dort wird durch das Ausgangssignal des Schwellwertschalters bei jedem Umschalten desselben ein ZeitgJied gesetzt, dessen danach anwachsender Zeitwert von einem Schwellwertschalter überprüft und mit einem Grenzwert verglichen wird. Der Schwellwertschalter, der das Zeitglied überwacht, gibt bei Überschreiten des Grenzwertes ein Schaltsignal ab, durch das über einen Transistor ein Widerstand dem Eingangswiderstand des als Integrator geschalteten Regelverstärkers zugeschaltet wird und damit die Zeitkonstante des Integrators verringert Eine solche Verringerung der Zeitkonstanten führt dazu, daß das Ausgangssignal des Integrators über der Zeit steiler ansteigt und das Masseverhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Betriebsgemisches aus Kraftstoff und Luft schneller im Korrektursinne verändert wird, um die von der Abgasmeßsonde angezeigte Abweichung der Istzusammensetzung des resultierenden Abgases von einem Sollwert rückgängig zu machen.

In der genannten DE-OS ist allerdings bereits allgemeiner von der Möglichkeit gesprochen, die Zeitkonstante zu ändern.

Diese Einrichtung hat den Nachteil, daß das Integratorausgangssignal über der Zeit nach einem Umschalten des Integrators zunächst einen verhältnismäßig flachen Verlauf aufweist. Dieser flache Verlauf mag günstig sein für einen niedrigen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine, wo die Totzeit der Regelstrekke zwischen Gemischzumeßpunkt und Lage der Abgasmeßsonde im Abgassammeisystem groß ist. Gesteuert durch das Ausgangssignal des Integrators kann sich in diesem Bereich eine relativ große Abweichung des Ist-Masseverhältnisses des Betriebsgemisches vom Sollwert einstellen, bis das geänderte Gemisch die Regelstrecke durchlaufen hat. Diese Abweichung wäre dann umso größer, je schneller das Integratorausgangssignal über der Zeit entsprechend einer kleinen Integrationszeitkonstanten zunimmt. Die anfängliche Steigung des Integratorausgangssignals über der Zeit muß, um ein »Sägen« der Brennkraftmaschine im Leerlauf und bei niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine zu vermeiden, aufgrund periodi-

bo scher Abweichungen des Masseverhältnisses des Betriebsgemisches den jeweiligen dynamischen Verhältnissen der Regelstrecke bei niedriger Drehzahl angepaßt werden. Bei hoher Drehzahl hingegen reicht die langsame Zunahme des Integratorausgangswertes

t>5 bzw. eine große Zeitkonstante des Integrators nicht aus, um eine schnelle Korrektur des Gemisches durchzuführen. Das bedeutet, daß die Regelung dann nur sehr langsam Störungen der Gemischsollzusammensetzung

auskorrigiert Zwar ist bei der bekannten Ausgestaltung ein steiler Anstieg des Integratorausgangswertes über der Zeit dann vorgesehen, wenn eine bestimmte Zeitspanne nach dem Umschalten der Integrierrichtung verstrichen ist doch ist das Zeitintegral des vom Sollwert abweichenden Gemisches bei der bekannten Lösung im hohen Drehzahlbereich relativ groß. Da die Brennkraftmaschine, die ein Fahrzeug antreibt, überwiegend in mittleren und höheren Drehzahlbereichen betrieben wird, macht sich der obige Nachteil hier besonders gravierend bemerkbar.

Es ist weiterhin durch die DE-OS 21 15 619 ein Abgasmeßfühler der beim Gegenstand der Anmeldung und beim Gegenstand der DE-OS 22 06 276 verwendeten Art bekannt bei dem zur optimalen Nutzungsdauer des Abgasmeßfühlers und bei Verwendung desselben zur Messung der Zusammensetzung der auch bezüglich der Temperatur schwankenden Abgase einer Brennkraftmaschine eine Beheizung vorgesehen ist

Durch die DE-OS 20 10 793 ist es im übrigen bekannt, die Zusammensetzung des Betriebsgemisches von Brennkraftmaschinen mit Hilfe einer von einer Abgasmeßsonde gesteuerten Regeleinrichtung zu regeln, wobei die Regeleinrichtung einen Verstärker aufweist, der in einer Ausführung mit einem Filter versehen ist und Glättungs- und Integriereigenschaften aufweist. Eine besondere Anregung, welcher Art die Eigenschaft im besonderen sein sollen, wird nicht gegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine der gattungsgemäßen Regelungseinrichtung entsprechende Einrichtung zu entwickeln, bei der eine schnelle und genaue Nachregelung der Betriebsgemischzusammensetzung unter Vermeidung jenes beschriebenen »Sägens« mit geringem zusätzlichen Aufwand möglich ist

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß sich der a Betrag der Zeitkonstanten entsprechend dem sich ändernden elektrischen Eingangswert kontinuierlich vergrößert

Diese Lösung hat den Vorteil, daß eine Abweichung der Masseverhältnisse des Betriebsgemisches vom Sollwert auch bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine schnell auskorrigiert wird und daß das der Brennkraftmaschine pro Zeiteinheit zugeführte, fehlangepaßte Gemisch nach Menge und Grad der Fehlanpassung im Sinne einer Reduzierung des Schadstoffgehaltes ⁴ > der resultierenden Abgase klein gehalten wird. Die sich kontinuierlich über die Zeit ändernde Zeitkonstante des Integrators ergibt eine sehr günstige Anpassung der Regelgeschwindigkeit an die jeweilige Drehzahl und verringert zudem die relative Dauer und die Höhe der ~>" Fehlanpassung des Betriebsgemisches.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe besteht darin, daß der Zeitablauf zwischen zwei sich folgenden Umschaltvorgängen des Schwellwertschalters durch einen mit dem Umschalten des Schwellwertschalters beginnenden dem Be- oder Entladevorgang eines Speichers erfaßt wird, zu dem ein Widerstand parallel geschaltet ist und der zur kontinuierlichen Änderung der Zeitkonstanten mit dem Eingang des Integrators verbunden ist. Eine weitere *>o Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung besteht vorteilhaft darin, daß der Ausgang des Schwellwertschalters über wenigstens zwei Widerstände mit dem Eingang des Regelverstärkers verbunden ist und parallel zu wenigstens einem dieser Widerstände ein t>5 Kondensator geschaltet ist.

Auf diese Weise wird durch einfaches Einfügen eines Kondensators nach jedem Umschalten des Schwellwertschalters beim Regelverstärker entsprechend dem zunächst schnellen Aufladevorgang des Kondensators eine kleine Zeitkonstante erzielt, die mit zunehmender Aufladung des Kondensators und zunehmendem Einfluß des dazu parallel liegenden Widerstands allmählich zunimmt Durch diese sehr einfache Ausgestaltung erhält man mit geringen Mitteln eine mit wachsendem Zeitabstand zwischen zwei Umschaltvorgängen des Schwellwertschalters abnehmende Steigung des Spannungsanstiegs am Ausgang des Regelverstärkers.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird im folgenden beschrieben und ist in der Zeichnung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 den grobschematischen Verlauf der Ausgangsspannung einer als Abgasmeßsonde dienenden Sauerstoffmeßsonde über der Zeit im Verhältnis zu der am Regelverstärkerausgang auftretenden Spannung zur Ansteuerung einer Verstellvorrichtung der Betriebsgemischzusammensetzung mit nicht angeglichener Zeitkonstante,

F i g. 2 den Spannungsverlauf am Regelverstärkerausgang mit angeglichener Zeitkonstante, und

Fig.3 den Stromlaufplan einer beispielhaften Ausführung der Erfindung.

In F i g. 1 wird mit der oberen Kurve S schematisch der Verlauf des Sondenausgangssignals Us über der Zeit angegeben. Bei der Sonde handelt es sich um eine bekannte Sauerstoffmeßsonde, die auf unterschiedliche Sauerstoffpartialdrücke im Abgas reagiert und beim Übergang von einem sauerstoffarmen zu einem sauerstoffreichen Abgas im Bereich einer Luftzahl von λ = 1 nahezu eine Sprungfunktion besitzt. Dementsprechend signalisiert die Sauerstoffmeßsonde mit einer hohen Ausgangsspannung ein »reiches« Gemisch mit einer Luftzahl von λ < 1 und mit einer niedrigen Ausgangsspannung ein »armes« Gemisch mit einer Luftzahl λ > 1. Die untere Kurve in Fig. 1 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung t/des Regelverstärkers über der Zeit in Relation zur Sondenspannung auf. Dabei kann z. B. der Regelverstärker so geschaltet werden, daß bei Vorliegen der hohen Sondenausgangsspannung der Regelverstärker in negativer Richtung integriert und bei niedriger Ausgangsspannung in positiver Richtung integriert. Entsprechend dem Sondensignal ergibt sich also am Ausgang des Regelverstärkers eine zickzackförmig verlaufende Kurve, deren Mittellinie einer Spannung entspricht, die geeignet wäre, die Gemischverstelleinrichtung so zu verstellen, daß genau eine Luftzahl λ = 1 erreicht wird. Die Zeit, in der die Integration über den Mittelwert entsprechend λ = 1 hinaus fortgesetzt wird, entspricht der Totzeit T, der Regelstrecke. Diese Zeit verstreicht, bis das veränderte Gemisch zur Sauerstoffmeßjonde im Abgassystem der Brennkraftmaschine gelangt und nun, da durch den Überschwingvorgang das Gemisch zu mager geworden ist, den Regelverstärker im Sinne einer rückläufigen Integration ansteuert. Es ist daraus zu ersehen, daß sich in der Frequenz des Sondensignals die Totzeit der Regelsirecke widerspiegelt. Mit sinkender Durchsatzgeschwindigkeit durch die Brennkraftmaschine nimmt diese Totzeit zu, so daß insbesondere bei niedrigeren Drehzahlen die Amplitude der Abweichung von dem gewünschten Sollwert zunimmt. Die dadurch entstehenden Gemischzusammensetzungen führen zu einem periodischen Schwanken der Drehzahl, was sich vor allen Dingen im Leerlauf sehr störend bemerkbar macht.

Würde jedoch die Zeitkonstante vergrößert bzw. die

Steigung des Spannungsanstiegs am Ausgang des Regelverstärkers verringert werden, so würde die Ansprechgeschwindigkeit der Regelung bei höheren Drehzahlen nicht ausreichend groß sein.

Durch die in F i g. 3 dargestellte Einrichtung ist es nun möglich, mit einfachen Mitteln die Zeitkonstante zeitabhängig zu verändern. F i g. 3 zeigt dabei zunächst im wesentlichen eine bekannte Regelschaltung mit einer Sauerstoffmeßsonde 1, die einen Schwellwertschalter 3 ansteuert, der wiederum sein Ausgangssignal auf den Eingang eines Regelverstärkers 4 bringt. Der Ausgang des Regelverstärkers ist mit einer Gemischverstellvorrichtung 5 verbunden, mit der das Masseverhältnis von Kraftstoff/Luft des der hier nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine zugeführten Betriebsgemisches verändert wird.

Der Schwellwertschalter 3 besteht aus einem Operationsverstärker 7, auf dessen invertierenden Eingang über einen Widerstand 8 das Spannungssignal der Sauerstoffmeßsonde 1 geführt wird. Der andere Ausgang der Sauerstoffmeßsonde liegt auf einem gemeinsamen negativen Bezugspotential einer Versorgungsleitung 9. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 7 wird von einem Spannungsteiler aus den in Reihe geschalteten Widerständen 11 und 12 zwischen der gemeinsamen Versorgungsleitung 9 und einer positives Potential führenden gemeinsamen Versorgungsleitung 14 versorgt. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist über einen Widerstand 15 an die Versorgungsleitung 14 angeschlossen und führt ferner über einen Widerstand 16 zur Basis eines PNP-Transistors 17. Der Emitter des Transistors 17 liegt am positiven Potential der Versorgungsleitung 14, während der Kollektor über einen Widerstand 18 zum Mittelabgriff eines aus den in Reihe geschalteten Widerständen 19 und 20 gebildeten Spannungsteilers zwischen den Versorgungsleitungen 9 und 14 führt. Von diesem Spannungsteiler wird über zwei in Reihe geschaltete Widerstände 21 und 22 der invertierende Eingang des aus einem Operationsverstärker 24 bestehenden Regelverstärkers 4 versorgt. Damit der Operationsverstärker 24 Integralverhalten erhält, ist zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ein Kondensator 25 geschaltet. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 24 wird von einem Spannungsteiler aus den Widerständen 26 und 27 zwischen den Versorgungsleitungen 9 und 14 versorgt. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist über einen Widerstand 28 auf das positive Potential der Versorgungsleitung 14 gelegt und ist ferner mit der nicht weiter ausgeführten Gemischverstellvorrichtung 5 verbunden.

Insoweit entspricht die beschriebene Schaltung einer üblichen Regeleinrichtung, die von einer Sauerstoffmeßsonde angesteuert wird. Dabei kann in anderer Ausgestaltung natürlich auch zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 7 und der Sauerstoffmeßsonde 1 ein Impedanzwandler geschaltet sein in Form einer Brückenschaltung aus dem

Spannungsteiler mit Widerständen 11 und 12 und jeweils einen Transistor mit in Reihe dazu liegendem Widerstand, wobei einer der Transistoren von der Sonde angesteuert wird. Auch kann zur genaueren Einstellung des Schwellwertschalter 3 der Spannungsteiler aus den Widerständen 11 und 12 mit einer stabilisierten Spannung versorgt werden.

Die in Fig.3 dargestellte Einrichtung arbeitet folgendermaßen: je nach Höhe des Ausgangssignals der Sauerstoffmeßsonde 1 wird am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 7 der mit dem Spannungsteiler 11, 12 eingestellte Schwellwert über- oder unterschritten. Das dementsprechend wechselnde Ausgangssignal wird zur Basis des Transistors 17 geleitet, der durch das Ausgangssignal des Schwellwertschalters entweder gesperrt oder durchgeschaltet wird. Bei einer hohen Ausgangsspannung des Schwellwertschalters 3 entsprechend einer niedrigen Sondenspannung bleibt der Transistor 17 gesperrt, während er im umgekehrten Fall durchschaltet. Im Durchschaltfall wird der Widerstand 18 parallel zum Widerstand 19 an das positive Potential der Versorgungsleitung 14 gelegt, so daß sich am Abgriff des Spannungsteilers eine höhere Spannung einstellt, die über die Widerstände 21 und 22 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 24 gelangt. Bei gesperrtem Transistor 17 wird dagegen die Spannung am Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen 19 und 20 abgesenkt, so daß auf den inverlierenden Eingang des Operationsverstärkers 24 eine den Sollwert am nicht invertierenden Eingang unterschreitende Spannung gelangt. Dementsprechend ändert der Regelverstärker 4 seine Integrationsrichtung. Gleichzeitig wird die Gemischverstellvorrichtung in Gegenrichtung angesteuert.

Abweichend vom bisher Üblichen liegt nun parallel zu dem Widerstand 21, der in der Verbindung zwischen dem Spannungsteiler aus den Widerständen 19 und 20 und dem invertierten Eingang des Operationsverstärkers 24 liegt, ein Kondensator 29. Dieser Kondensator wird bei jedem Umschaltvorgang des Schwellwertschalters 3 bzw. des Transistors 17 umgeladen und überbrückt während seiner Umladezeit teilweise den Widerstand 21, so daß anfänglich nur der Widerstand 22 am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers die Zeitkonstante des Regelverstärkers bestimmt Erst mit steigender Aufladung des Kondensators gewinnt der Widerstand 21 zusätzlichen Einfluß, so daß mit steigender Aufladung des Kondensators 29 die Zeitkonstante des Regelverstärkers zunimmt Der Einfluß, den der Kondensator auf die Zeitkonstante des Regelverstärkers 4 hat, wird in der Fig.2 dargestellt Dort erkennt man, daß nach einem Wechsel der Integrationsrichtung die Steigung zunächst einen großen Absolutwert besitzt, der danach allmählich verringert wird. Mit steigender Totzeit gewinnt die aus den Widerständen 21 und 22 bestimmte Zeitkonstante entsprechend einem flachen Spannungsanstieg mehr Einfluß, so daß zu große Regelamplituden bei großen Totzeiten vermieden werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgase von Brennkraftmaschinen durch Regelung des Masseverhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Betriebsgemisches mit Hilfe einer die Abgaszusammensetzung erfassenden Abgasmeßsonde, insbesondere einer Sauerstoffmeßsonde, deren Ausgangssignal einem eine Gemischverstellvorrichtung ansteuernden Regelverstärker mit Integralverhalten über einen Schwellwertschalter zugeführt wird, dessen Schaltstellung die Integrationsrichtung des Regelverstärkers bestimmt, wobei ein vom Zeitablauf nach dem jeweiligen Umschalten des Schwellwertschalters abhängiges Signal erzeugt wird, von dem abhängig der elektrische Eingangswert des Integrators im Sinne einer Änderung der Zeitkonstanten des Integrators beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Betrag der Zeitkonstanten entsprechend dem sich ändernden elektrischen Eingangswert kontinuierlich vergrößert

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitablauf zwischen zwei sich folgenden Umschalt-Vorgängen des Schwellwertschalters (3) durch einen mit dem Umschalten des Schwellwertschalters beginnenden Be- oder Entladevorgang eines Speichers erfaßt wird, zu dem ein Widerstand parallel geschaltet ist und der zur kontinuierlichen Änderung der Zeitkonstanten mit dem Eingang des Integrators (4) verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Schwellwertschalters (3) über wenigstens zwei Widerstände (21, 22) mit dem Eingang des Regelverstärkers (24) verbunden ist und parallel zu wenigstens einem dieser Widerstände ein den Speicher bildender Kondensator (29) geschaltet ist.