DE2649456A1

DE2649456A1 - Gemischverhaeltnisregeleinrichtung fuer das einer brennkraftmaschine zuzufuehrende betriebsgemisch

Info

Publication number: DE2649456A1
Application number: DE19762649456
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl Ing Kraus; Rudi Mayer; Hans Schnuerle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1976-10-29
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1978-05-03
Also published as: DE2649456C2

Description

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det und geschaltet ist, daß eine Beeinflussung der Spannungsverteilung in der den Schwellwert erzeugenden Teilerschaltung möglich ist.

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Gemischverhältnisregeleinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Bekannt ist schon eine Vorrichtung bei einer geregelten und mit einer /Ί-Sonde arbeitenden Kraftstoffeinspritzanlage, die so ausgebildet ist, daß bei nichtbetriebsbereitem Zustand der /(-Sonde die Regelung ganz abgeschaltet und auf Steuerung umgeschaltet wird. Durch weitere Schaltungsmaßnahmen erfolgt nach Einsetzen der Regelung dann eine Anpassung der mit der λ-Sondenausgangsspannung verglichenen Schwellwertspannung bis zum endgültigen Normalbetriebszustand; bei dieser Vorrichtung sind jedoch komplizierte Schaltungsmaßnahmen erforderlich, um den angestrebten Zweck zu erreichen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung mit dem kennzeichnenden Merkmal des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie äußerst einfach aufgebaut ist und in der Lage ist, die Schwellwertspannung kontinuierlich dem sich ändernden Zustand der /}-Sonde und der von ihr abgegebenen Ausgangsspannung anzupassen. Weiterhin ist vorteilhaft, daß die erfindungsgemäße Einrichtung im Normalbetrieb, also bei ausreichend heißer λ-Sonde, nicht eingreift und daher bei der Schaltungsauslegung für Nörmalbetrieb nicht berücksichtigt zu werden braucht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind

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vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Einrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß zur Schwellwertverstellung lediglich ein aktives Schaltungselement in Form eines Transistors erforderlich ist, der mit seiner Kollektoremitterstrecke einen Parallelzweig zu der Spannungsteilerschaltung bildet, die die Schwellwertspannung erzeugt. Durch entsprechende Ansteuerung dieses Transistors läßt sich in einfacher Weise die Schwellwertspannung verschie-· ben und der sich ändernden Sondenspannung, genauer gesagt,dem unteren Extremwert der Sondenspannung, anpassen. Die Erfindung eignet sich zur Anwendung bei jeder Art von Gemischaufbereitungsanlagen, die Brennkraftmaschinen ein Kraftstoff-Luftgemisch zuführen, beispielsweise für Kraftstoffeinspritzanlagen, Vergaser beliebiger Ausführungsform u.dgl.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 in Form eines schematischen Diagramms die charakteristischen Spannungs- und Widerstandsverläufe bei einer Sauerstoff- oder Λ-Sonde über der Zeit bzw. über der Temperatur, Fig. 1a das Ersatzschaltbild einer λ-Sonde, Fig. 2 den wesentlichen Teilbereich der /{-Sondenausgangsspannung, bei welchem durch die erfindungsgemäße Schwellwertbeeinflussung die Regelfunktion gesichert werden kann, und Fig. 3 das Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Schwellwertverstellung, die eine Teilschaltung bildet, die einer beliebigen Gemischaufbereitungsanlage zugeordnet sein kann.

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Beschreibung der Erfindung

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst kurz auf das System der sogenannten λ-Sonde anhand der Figuren 1 und 1a eingegangen. Bei der /j-Sonde, die auch als Sauerstoff sonde bezeichnet wird, handelt es sich um eine Anordnung, die im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, also im Bereich der Auspuffanlage, angeordnet werden kann und die auf Grund eines einer Sprungfunktion ähnelnden Schaltverhaltens in der Lage ist, zwischen einem der Brennkraftmaschine eingangsseitig zugeführten fetten Kraftstoff-Luftgemisch und einem mageren Kraftstoff-Luftgemisch zu unterscheiden. Ein solches Schaltverhalten läßt sich bevorzugt für eine Regelung auswerten, bei der die Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs die Regelstrecke darstellt, die Kraftstoffeinspritzanlage oder allgemein ausgedrückt, die Vorrichtung zur Gemischzufuhr zur Brennkraftmaschine den Regler bildet und die Ä-Sonde den auf den Eingang der Regelschaltung zurückgeführten Istwert zur Verfügung stellt,

Das Ersatzschaltbild einer solchen Sauerstoff- oder λ-Sonde ist in Figur 1a dargestellt; es umfaßt den inneren Widerstand Ris der Ä-Sonde sowie die von der Λ-Sonde erzeugte EMK, d.h. die von ihr abgegebene Spannung Uo. Sowohl der innere Widerstand Ris als auch die Spannung Uo sind keine Konstanten, sondern stark temperaturabhängig und weisen daher, wie die schematische Darstellung im Diagramm der Figur 1 zeigt, eine ausgeprägte Abhängigkeit über der Zeit t bzw. der Temperatur n/s auf.

Im kalten Zustand ist der innere Widerstand Ris der /1-Sonde außerordentlich hoch und senkt sich bei Annäherung an die Arbeitstemperatur der a-Sonde, die bei etwa 2 50° C bis 300° C angesetzt werden kann, stark ab; andererseits ist die EMK der Α-Sonde bei niedrigen Temperaturen gering, sie steigt dann an

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und öffnet sich in die beiden Grenzwertzweige Us1 und Us2, die jeweils die oberen und unteren Begrenzungskurven für die Extremwerte der von der /\-Sonde abgegebenen Spannung U bei fettem und magerem Gemisch der Brennkraftmaschine angeben. Sobald daher die /i-Sonde die für ihren Betrieb ausreichende Temperatur erreicht hat, die etwa ab dem Zeitpunkt t₁ als gegeben angesehen werden kann, da ab der zu diesem Zeitpunkt herrschenden Temperatur die von der Λ-Sonde abgegebene Spannung zwischen fettem und magerem Gemisch deutlich unterscheiden kann, ist die Auswertung der Sondenspannung Us für Regelungszwecke möglich'. Ab dem Zeitpunkt t„ der Darstellung der Fig. 1 ergeben sich hierbei auch im wesentlichen keine weiteren Probleme, da die Schwellwertspannung, die der Sondenspannung Us entgegengeschaltet wird bzw. mit welcher die Sondenspannung zur Erzielung einer eindeutigen Aussage über die Beschaffenheit des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemische verglichen wird, konstant gehalten werden kann und beispielsweise etwa auf, bezogen auf die tatsächliche Sondenausgangsspannung, ca. 500 mV gelegt werden kann.

Um die von der /(-Sonde abgegebene Spannung Us auswerten zu können, ist ihre Verbindung mit der Eingangsstufe einer Regelschaltung erforderlich, die unvermeidlicherweise einen, wenn auch nur geringen Meßstrom zieht. Gegebenenfalls wird der λ-Sonde aber auch bewußt ein Schaltstrom zugeführt, um für den Bereich t <t. eine Aussage über den Zustand der Α-Sonde gewinnen zu können und um für diesen Bereich gegebenenfalls auf Steuerung des Gesamtsystems umschalten zu können.

Wegen dieses ständig durch die Λ-Sonde fließenden Meßstroms steht am Eingang der Eingangsstufe der Regelschaltung auch ständig eine am Innenwiderstand Ris der Sonde abfallende Spannung an und erreicht die λ-Sonde für ein einwandfreies Arbeiten der Regelung nicht die Mindesttemperatur von beispielsweise

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ca. 300° C, dann springt diese, zumindest zum Teil auf den Meßstrom zurückzuführende Ausgangsspannung der λ-Sonde auch bei magerem Betrieb der Brennkraftmaschine nicht mehr unter den voraussetzungsgemäß zunächst konstant eingestellten Schwellwert. Die Folge ist, daß die Regelschaltung dann, wenn die λ-Sonde ihre Mindesttemperatur nicht erreicht, nicht mehr einwandfrei arbeitet. Der Abfall der Temperatur der λ-'Sonde unter die Mindesttemperatur kann aber auch schon bei solchen Betriebs zuständen wie Leerlauf oder längeres Bergabfahren erreicht werden.

Die in Figur 3 dargestellte Schaltung ist in der Lage, durch gezielte Nachführung des mit der Sondenspannung Us verglichenen Schwellwerts die Regelfunktion auch dann zu sichern, wenn die Sonde sich in einem Zustand befindet, der grob umrissen etwa dem Zustand zwischen den Zeitpunkten t- und t_? der Fig. 1 entspricht. An die Eingangsklemme 10 der Schaltung der Fig. 3 kann beispielsweise unmittelbar die mit 1 bezeichnete Λ-Sonde angeschlossen sein. Die Ausgangsspannung Us der λ-Sonde gelangt über einen Widerstand R1 auf den einen Eingang einer Vorstufenschaltung 2, die beispielsweise als Operationsverstärker ausgebildet sein kann und deren anderem Eingang über eine Rückführleitung 3 eine Eingangsspannung zugeführt ist, die auch von der Ausgangsspannung der Vorstufe 2 abhängt, so daß das Schaltverhalten verbessert und ein Hystereseverhalten eingeführt wird. Der Ausgang der Vorstufe 2 ist am Schaltungspunkt P2 mit dem Verbindungspunkt zweier Widerstände R2 und R3 verbunden, die mit einem weiteren in Reihe geschalteten Widerstand R4 ausgehend von einer eine stabilisierte Spannung führenden Leitung 4 einen Spannungsteiler gegen Masse oder Minusleitung 5 bilden. Die stabilisierte Spannung wird durch eine Spannungsteilerschaltung erzeugt, die beispielsweise von der Batteriespannung UB führenden Leitung 6 ausgehend einen Widerstand R5 und eine mit diesem in Reihe geschaltete Zener-

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diode Z1 umfaßt. Am Verbindungspunkt der Widerstände R3 und R4 ist die Rückfuhrleitung 3 angeschlossen.

Die Spannung am Ausgang P2 der Vorstufe 2 springt entsprechend dem in Fig. 2 gezeigten Kurvenverlauf der Sondenspannung Us zwischen den beiden Extremwertspannungen Us1 und Us2 hin und her, wobei, wie eingangs schon erwähnt, bei niedrigen Temperaturen eine Verlagerung der Sondenausgangsspannung entspre-chend der Richtung des Doppelpfeils A in Richtung auf höhere Spannungswerte erfolgt bei gleichzeitiger Extremwertverengung.

Der Ausgang der Vorstufe 2 ist über einen Widerstand R6 mit dem einen Eingang einer Vergleichsschaltung 7 verbunden, die ebenfalls als Operationsverstärker ausgebildet sein kann. Dem anderen Eingang der Vergleichsschaltung 7 wird die weiter vorn schon erwähnte Schwellwertspannung zugeführt, die primär gewonnen wird aus einer Spannungsteilerscha1tung, die beim Ausführungsbeispiel· die stabiiisierte Spannung der Leitung 4 mit Hilfe der Reihenschaltung der Widerstände R7, R8, R9 und R1O mit Masse verbindet. Der Verbindungspunkt der Widerstände R8 und R9 ist über einen v/eiteren Widerstand R11 mit dem Schwellwertspannungseingang der Vergleicherschaltung 7 verbunden. Am Ausgang der Vergleicherschaltung 7 , der dann je nach dem der Brennkraftmaschine zugeführten Genisch hoch oder niedrig liegt, wird das von der Regelschaltung weiter zu verarbeitende Istwertsignal abgenommen. Zur Nachführung des Schwellwerts ist eine Schwellwertnachführschaltung vorgesehen, die ausgangsmäßig auf den Schwellwerteingang 9 der Vergleicherschaltung 7 arbeitet und eingangsinäßig den tatsächlichen Wert der Sondenspannung abtastet. Beim Ausführungsbeispiel besteht die Schwellwertnachführschaltung aus einem Transistor T1, dessen Kollektor beispielsweise unmittelbar mit einer beim vorliegenden Fall Plusspannung führenden Leitung, nämlich der Leitung 6 verbunden ist, während der Emitter des Transistors T1 auf die Span-

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nungsverteilung in der Spannungsteilerschaltung R7 bis RIO einwirkt, und zwar dadurch, daß er beim Ausführungsbeispiel über einen Widerstand R12 mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R9 und R10 verbunden/. Die Basis des Transistors Tl ist über einen Widerstand R13 einmal mit der Plusspannung führenden Leitung 4 verbunden und ist andererseits an eine Sondenspannung-Abtastschaltung 12 angeschlossen, die aus der Reihenschaltung einer Diode D1, eines weiteren Widerstandes R14 und eines Kondensators C besteht und zwischen den Schaltungspunkt P2 als Ausgang der Vorstufe 2 und Masse geschaltet ist.

Die Wirkungsweise zur Beeinflussung der dem Sondensignal Us entgegengeschalteten Schwellwertspannung ist so, daß der Kondensator C über den Widerstand R13 auf positive Spannung aufgeladen und über die Reihenschaltung des Widerstandes R14 mit der für negative Spannungen vom Schaltungspunkt P2 in Flußrichtung gepolten Diode jeweils auf den Minimalwert der schwankenden Sondenspannung Us (siehe Fig. 2) entladen wird.

Solange der Minimalwert (entsprechend der Spannung Us2 der Fig. 2) ausreichend niedrig liegt, wird sich der Transistor T1 in seinem Sperrzustand befinden, da sein Emitterpotential auf die Spannung angehoben ist, die in Normalfall am Verbindungspunkt der Widerstände R9 und R10 herrscht. Im normalen Regelbetrieb beträgt bei ausreichend warmer Sonde der durch die Spannungsteilerschaltung der Widerstände R7 bis R10 eingestellte Schwellwert U (vgl. Fig. 2) etwa 500 V und dieser Schwellwert wird nicht beeinflußt, solange beispielsweise der Minimalwert Us2 der Sondenspannung Us einen vorgegebenen Grenzwert U nicht überschreitet. Zum Zeitpunkt t. in Fig. 2 ist jedoch wegen entsprechender Abkühlung der λ-Sonde die Grenzwertspannung U überschritten und die Abtastschaltung 12 ist im zunehmenden Maße nicht mehr in der Lage, die Spannung am Kondensator C und damit an der Basis des Transistors T1 auf so

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kleinen Werten zu halten, daß der Transistor T1 sperrt. Der Basis des Transistors T1 wird im Gegenteil ab diesem Zeitpunkt t. (im Diagramm der Fig. 2 auf der die Zeitoder Temperaturskala darstellenden Abszisse nach rückwärts gesehen) eine immer positivere Spannung zugeführt, so daß ab diesem Zeitpunkt der Schaltungspunkt P4 als Verbindungspunkt der Widerstände R9, Rio und R12 über die Kollektoremitterstrecke des Transistors T1 zunehmend mit positivem Potential der Leitung 6 verbunden wird, was zu einer Gesamtanhebung der Schwellwertspannung U am Eingang 9 auf positive Werte führt, ent- . sprechend dem dann beispielsweise im wesentlichen linear ansteigenden Schwellwertspannungszweig ϋ_νχ in Fig. 2. Es versteht sich, daß durch entsprechende Dimensionierung der Schaltungselemente der Schwellwertnachführschaltung der Verlauf des Kurvenzweiges U so gelegt werden kann, daß er, wie auch in Fig. 2 gezeigt, sich im wesentlichen zwischen den beiden schließenden Grenzwertspannungszweigen Üs1 und Us2 befindet, so daß es in optimaler Weise gelingt, auch bei relativ starker Abkühlung der Λ-Sonde einwandfreie Aussagen über den Gemischzustand zu erzielen.

Die Schaltung zur Anhebung der Schwellwertspannung U ist, wie schon erwähnt, so ausgelegt, daß eine Veränderung des Schwellwerts erst dann erfolgt, wenn ein vorgegebener Minimalwert der unteren Sondenspannung überschritten wird, so daß sichergestellt ist, daß im normalen Regelbetrieb (bei heißer Sonde) die Schaltung nicht im Eingriff ist. Kühlt die λ-Sonde ab, dann greift die erfindungsgemäße Schaltung ein und hebt den Schwelt wert soweit an, daß die Regelung auch bei hohem GrundSpannungsniveau an der Soijde weiterarbeiten kann, weil weiterhin Durchgänge durch den Schwellwert möglich und von der Schaltung erfaßbar sind. Zweckmäßigerweise wird die Schaltung so dimensioniert und gegebenenfalls durch weitere Elemente ergänzt, daß zumindest der Schv/ellwertspannungszweig U möglichst immer in der Mitte zwischen den beiden Werten der Sondenspannung Us bei

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fettem und magerem Gemisch liegt, so daß ein Regelbetrieb so lange möglich ist, wie die Sonde überhaupt noch in der Lage ist, zwischen fettem und magerem Gemisch zu unterscheiden.

Im übrigen versteht es sich, daß zur Verhinderung von auf die ständigen SpannungsSprünge am Ausgang P2 der Vorstufe 2 zurückzuführenden Schwankungen der Ausgangsspannung der Abtastschaltung 12, die dem Potential über dem Kondensator C entspricht, die von diesem Kondensator und seinem zugeordneten Ladewiderstand R13 gebildete Zeitkonstante R₁₃-C groß sein muß gegenüber der maximalen Totzeit des Systems.

Die Erfindung ist, wie weiter vorn schon erwähnt, geeignet, bei beliebigen Arten von Gemischaufbereitungsanlagen eingesetzt zu werden, beispielsweise bei\fergasern, Kraftstoffeinspritzanlagen u.dgl., wobei im Vergaserbereich etwa der Düsenquerschnitt geändert werden kann, der den Kraftstoff dem Ansaugbereich zuführt; geändert werden können aber auch sonstige Bereiche eines Vergasers beliebiger Ausführungsform, die geeignet sind, die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luftgemisches unter Beobachtung des aufbereiteten Ausgangssignals der λ-Sonde zu beeinflussen.

Die Erfindung eignet sich auch insbesondere zur Regelung der Abgasrückführrate bei Gemischaufbereitungsanlagen, zur Regelung von 3ypassleitungen oder bei Kraftstoffeinspritzanlagen zur ergänzenden Beeinflussung der Dauer von Kraftstoffeinspritzimpulsen, beispielsweise durch Einwirkung auf die Multiplizierstufe solcher Systeme. Allgemein ist der Einsatz der /ϊ-Sonde und der ihr zugeordneten, ihr Ausgangssignal auswertenden Komponenten bei allen, den Kraftstoff mit Hilfe von Unterdruck ansaugenden oder diesen unter überdruck den Verbrennungsbereichen zuführenden Systemen und Anlagen möglich.

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Claims

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Patentansprüche :

Π Δ Gemischverhältnisregeleinrichtung für das einer Brennkraftmaschine zuzuführende Betriebsgeraisch, dessen Zusammensetzung ergänzend von einer die Abgaszusammensetzung erfassenden /i-Sonde (Sauerstoffsonde) beeinflußt wird, mit einer das Λ-Sondenausgangssignal mit einer Schwellwertspannung vergleichenden Vergleicherschaltung, die das die Betriebszustände 'fettes Gemisch" bzw. "mageres Gemisch" angebende Ausgangsschaltsignal weiterverarbeitenden Schaltungsteilen einer Gemischaufbereitungsanlage zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß eine die veränderliche untere Grenzwertspannung (Üs2) der Λ-Sonde (I) erfassende Abtastschaltung (12) vorgesehen ist, die auf eine der Vergleicherschaltung (7> zugeordnete Schwellwertverstellschaltung (T1> arbeitet, derart, daß der der Sondenausgangsspannung (Os) entgegengeschaltete Schwellwert stets oberhalb der unteren Sonclengrenzwertspannung (üs2> verbleibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1_f dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastschaltung mit nachgeschalteter Schwellwertverstellschaltung OP-ti ^so bemessen sind, daß die Schwellwertverstellung erst bei überschreiten einer bestimmten Grenzwertspanrtung (O ί erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch t oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Schwellwertspannung (ü ) eine in ihren Teilspannungswerten von der Schwellwertverstellschaltung (TI) beeinflußte Spannungsteilerschaltung (R7, R8, R9_r vorgesehen ist.

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4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenausgangsspannung den einen Eingang einer als Operationsverstärker geschalteten Vorstufe (2) zugeführt ist, deren anderem Eingang ein von der Vorstufenausgangsspannung abhängiges, rückgeführtes Cignal zugeführt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge-' kennzeichnet, daß der Ausgang (P2) der Vorstufe mit dem einen Eingang der in Form eines Operationsverstärkers ausgebildeten Vergleicherschaltung (7} zugeführt und gleichzeitig mit der Abtastschaltung (12) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastschaltung ein Speicherglied (C) enthält, welches auf den Wert der unteren Grenzwertspannung (Us2) der Sondenausgangsspannung (Us).entladbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das von einem Kondensator gebildete Speicher glied

(7) mit einem Widerstand (R14) und einer Diode (D1) in Reihe geschaltet und mit dem Vorstufenausgangsanschluß (P2) verbunden ist und daß der der Masseleitung (5) abgewandte Anschluß des Kondensators (C) mit der Basis eines Transistors (T1) verbunden ist, der Teil der SchwelIwertverstellschaltung ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schwellwertverstellung der von der Abtastschaltung (12) gesteuerte Transistor (T1) mit seiner Kollektoremitterstrecke an einen Verbindungspunkt (P4) der die Schweilwertspannung (U„) erzeugenden Spannungsteilerschaltung (R7 bis RiO) gelegt ist, derart, daß der Schwellwer tspannungseingangsansch luß {9> der vergleicrher-

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schaltung eine mit größer v/erdender unterer Grenzwertspannung (Us2) immer stärkere Verschiebung erfährt.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ladewiderstand (TU 3) für den Speicherkondensator (C) vorgesehen ist und daß die von dem Ladewiderstand (R13) und dem Speicherkondensator (C) gebildete Zeitkonstante groß ist gegenüber der maximalen Totzeit des Systems.

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