DE2758217A1

DE2758217A1 - Vorrichtung zur steuerung eines auspuffgassensors

Info

Publication number: DE2758217A1
Application number: DE19772758217
Authority: DE
Inventors: Masaharu Asano; Akio Hosaka
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1976-12-27
Filing date: 1977-12-27
Publication date: 1978-07-06
Also published as: DE2758217C2; JPS5381827A; US4183335A; GB1555284A; JPS616259B2

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines Auspuffgas-Sensors von Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Brennkraftmaschinen, die mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises geregelt werden und einen Auspuffgassensor in dem Auspuffsystem zur Erzeugung eines Ausgangssignals für die Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des der Maschine zugeführten Gemisches aufweisen, machen es erforderlich, daß der Sensor für eine einwandfreie Arbeitsweise oberhalb einer bestimmten Temperatur liegt. Wenn der Auspuffgassensor unterhalb dieser Temperatur liegt, arbeitet er nicht ordnungsgemäß, so daß die Brennkraftmaschine nicht zufriedenstellend läuft.

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Wenn der Auspuffgassensor unterhalb seiner Betriebstemperatur arbeitet, wie es beispielsweise bei längerem Leerlaufbetrieb der Fall ist, wird seine innere Impedanz sehr hoch und seine Maximalspannung nimmt ab, während die Minimalspannung, die üblicherweise auf einem Null-Potential liegt, auf die abnehmenden Maximal-Spitzenwerte ansteigt, so daß sich das Ausgangssignal innerhalb eines abnehmenden Bereiches von Werten ändert. In der parallelen US-Anmeldung 715,652 der Anmelderin wird ein System beschrieben, das negative und positive Spitzenwertdetektoren zur Erzeugung eines Signals umfaßt, dessen Größe einen Mittelwert zwischen den sich ändernden Maximal- und Minimal-Spitzenwerten des Auspuffgassensors einnimmt. Die sich ändernde Mittelspannung wird als Vergleichssignal verwendet, mit dem das Ausgangssignal des Auspuffgassensors verglichen und ein Abweichungssignal erzeugt wird, das die Abweichung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses innerhalb des Auspuffgassystems von einem Wert in der Nähe des stöchiometrischen Wertes wiedergibt, bei dem die Wirksamkeit einer katalytisehen Umwandlung besonders groß ist.

Die Arbeitsweise von Sauerstoff-Sensoren ist jedoch unter-

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schiedlich, und bestimmte Typen von Sauerstoff-Sensoren können eine bestimmte Charakteristik aufweisen, bei der die Minimum-Spitzenwerte ebenfalls die Tendenz haben, anzusteigen, wenn die Sensor-Temperatur abfällt, während die Maximum-Spitzenwerte abnehmen, so daß der Bereich der Spannungsänderungen eingeschränkt wird. Obgleich durch die bekannte Lösung eine Verlängerung des Betriebes mit geschlossenem Regelkreis erreicht wird, wenn die Temperatur des Auspuffgassensors während längeren Leerlaufbetriebes abfällt, nimmt der Schwellenwert einen unbestimmten Wert innerhalb des engen Bereiches an, so daß der Betrieb mit geschlossener Regelschleife nicht zufriedenstellend ist.

Die Erfindung ist unter anderem darauf gerichtet, eine unbedeutende Verlängerung des Betriebes mit geschlossener Regelschleife zu verhindern, wenn der Auspuffgassensor bei längerem Leerlauf unterhalb seiner normalen Betriebstemperatur arbeitet, so daß der Ausstoß von schädlichen Produkten auf ein Minimum gebracht wird.

Erfindungsgemäß ist bei einem Brennstoffregelsystem für Brennkraftmaschinen mit einem Auspuffgassensor zur Lieferung eines Regelsignals an das Gemischregelsystem ein Abtastsystem vorgesehen, das abtastet, wenn die Temperatur des Auspuffgassensors bei oder oberhalb der Betriebstemperatur liegt und das es ermöglicht, daß das Gemischregelsystem mit geschlossenem Regelkreis arbeitet, andererseits dagegen ein Ausschaltsignal erzeugt, das das Regelsystem in einen Zustand mit offener Regelung überführt, wenn die Temperatur des Auspuffgassensors unterhalb der Betriebstemperatur liegt. Der Auspuffgassensor erzeugt niedrige und hohe Spannungssignale entsprechend der Anwesenheit oder Abwesenheit eines vorbestimmten Bestandteiles des Auspuffgases bei oder oberhalb seiner normalen Betriebstemperatur. Der Auspuffgassensor weist eine innere Impedanz auf, die sich umgekehrt mit der Temperatur des Auspuffgassensors von einer sehr hohen Impedanz bei niedriger, nicht betriebsfähiger Temperatur zu einer sehr nie-

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drigen Impedanz bei hoher Betriebstemperatur ändert. Das hohe Spannungssignal nimmt mit der inneren Impedanz ab, und daß niedrige Spannungssignal nähert sich dem abnehmenden hohen Spannungssignal und nimmt sodann mit der inneren Impedanz ab. Dieses Abtastsystem umfaßt einen Differenzverstärker mit einem ersten Eingang, der das Ausgangssignal des Auspuffgassensors aufnimmt, und einem zweiten Eingang, der eine veränderliche Vergleichsspannung zur Erzeugung eines Differenzsignals aufnimmt. Eine Spannungsquelle He fert eine Spannung mit einem mittleren Wert zwischen den Werten des hohen und des niedrigen Spannungssignals, die erzeugt wird, wenn der Auspuffgassensor bei oder oberhalb seiner normalen Betriebstemperatur arbeitet. Weiterhin ist eine Einrichtung zur Abtastung des niedrigen Spannungssig nals und eine Einrichtung zum Addieren einer vorgegebenen konstanten Gleichspannung zu dem abgetasteten niedrigen Spannungssignal vorgesehen. Die veränderliche Vergleichsspannung ist diejenige Spannung der Addier-Spannung und der mittleren Spannung, die größer als die andere Span nung ist. Weiterhin ist eine Einrichtung zum Abtasten des hohen Spannungssginals vorgesehen, und ein Komparator erzeugt ein Vergleichssignal, wenn das Ausgangssignal der Addier-Einrichtung größer als das abgetastete hohe Spannungs· signal ist. Das Ausgangssignal des Komparators stellt das

Ausschaltsignal dar.

Es werden also die maximalen und minimalen Spitzenwerte des Auspuffgassensors abgetastet, und ein Gleichspannungs-Grundsignal wird zu dem Minimal-Spitzenwert hinzuaddiert. Ein Komparator tastet ab, ob der addierte minimale Spitzenwert den abgetasteten maximalen Spitzenwert überschreitet und liefert ein Ausschaltsignal zu dem Gemischregelsystem, das dieses aus einem Betriebszustand mit geschlossener Regelschleife in einen solchen mit offener Regelschleife über- führt, und zwar dann, wenn die Temperatur des Auspuffgassensor unterhalb der Betriebstemperatur liegt, wie es insbesondere bei längerem Leerlauf der Fall ist.

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

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 1;

Fig. 3 A und sind Signalwellendiagramme der Ausführungs-3 B formen der Fig. 1 zur Beschreibung der Arbeitsweise der Ausführungsformen.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit einer Regelung mit geschlossener Regelschleife in einem funktioneilen Blockdiagramm. Eine Brennkraftmaschine 10 wird mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch durch eine Zufuhreinrichtung 11, wie etwa einen elektronisch gesteuerten Vergaser oder eine Einspritzpumpe versorgt und gibt die verbrauchten Gase durch ein Auspuffsystem ab, in dem ein Auspuffgassensor 12 und ein katalytischer Konverter 13 vorgesehen sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auspuffgassensor 12 ein herkömmlicher Sauerstoffsensor zur Abtastung des Sauerstoffanteils. Eine Eigenschaft des Sauerstoffsensors besteht darin, daß bei einer Temperatur des Sensors unterhalb der normalen Betriebstemperatur die innere Impedanz des Sensors sehr hoch ist. Wenn sich der Sensor zu seiner normalen Betriebstemperatur erwärmt, fällt die Impedanz von ihrem sehr hohen Wert auf den Betriebswert ab.

Wenn der Auspuffgassensor bei oder oberhalb seiner normalen Betriebstemperatur arbeitet, erzeugt er ein hohes Spannungssignal in Abwesenheit von Sauerstoff, so daß angezeigt wird, daß das Gemisch fetter als ein stöchiometrisches Gemisch ist. In Anwesenheit von Sauerstoff erzeugt der Auspuffgassensor ein Signal niedriger Spannung, das angibt, daß das Gemisch magerer als ein stöchiometrisches Gemisch ist.

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Wenn der Sauerstoffsensor unterhalb seiner normalen Betriebstemperatur arbeitet, nimmt das hohe Spannungssignal mit der Temperatur ab.

Der katalytische Konverter 13 ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Dreiwege-Katalysator, der gleichzeitig die Oxydation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff und die Reduktion von Stickoxiden beschleunigt, wenn der Sauerstoffgehalt der Auspuffgase anzeigt, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis in der Nähe des stöchiometrIschen Wertes liegt. Da die Dreifach- oder Dreiwege-Katalyse gestört wird, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis in dem Auspuffsystem von dem stöchiometrischen Wert abweicht, liegt die wesentliche Punktion der geschlossenen Regelschleife darin, die Brennkraftmaschine 10 mit einem Gemisch zu versorgen, dessen Luft-Brennstoff-Verhältnis genau auf den Bereich des stöchiometrischen Wertes eingeregelt wird.

Das Ausgangssignal des Auspuffgassensors 12 wird durch einen Abweichungsdetektor 14 für das Luft-Brennstoff-Verhältnis aufgenommen, dessen wesentliche Funktion darin besteht, das Eingangssignal mit einem veränderlichen Vergleichssignal zu vergleichen und ein Signal zu erzeugen, das der Abweichung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in dem Auspuffsystem von dem Bereich des stöchiometrischen Wertes entspricht. Das Ausgangssignal des Abweichungsdetektors 14 gelangt an eine Integralschaltung oder Steuerschaltung 15 für den Auspuffgassensor, die eine Integration des Ausgangssignals zur Unterdrückung unerwünschter Schwingungen oder Änderungen des Rückkopplungs-Steuersignals durchführt, die entsprechend Änderungen der Betriebsbedingungen der Maschine auftreten können.

Das Ausgangssignal der Steuerschaltung 15 wird durch eine Leistungsstufe oder einen Verstärker 16 verstärkt und an die Zufuhreinrichtung 11 abgegeben. Auf diese Weise wird die Brennkraftmaschine 10 im geschlossenen Regelkreis ge-

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steuert.

Der Abweichungsdetektor 14 umfaßt einen Pufferverstälrker 17, eine Einstellschaltung für eine variable Vergleichsspannung in der Form eines Negativspitzendetektors 18, eine Gleichspannungsquelle 19, die eine Grundgleichspannung an den abgetasteten negativen Spitzenwert des Ausgangssignals des Sauerstoffsensors in einem Summierknotenpunkt 20 abgibt, und eine Spannungs-Klemmschaltung 21, die die Spannung am Ausgang des Summierknotenpunktes auf einer Vergleichsspannung einer Spannungsquelle 25 hält. Der Abweichungsdetektor 14 weist weiterhin einen Differenzverstärker 22 auf, der an seinem ersten Eingang das Ausgangssignal des Auspuffgassensors von dem Pufferverstärker 17 zum Vergleich mit einem variablen Vergleichsschwellenwert aufnimmt, der an seinen zweiten Eingang durch den Ausgang des Summierknotenpunkts 20 gelangt. Der zweite Eingang des Differenzverstärkers 22, der die Ausgangsspannung des Summierknotenpunkts 20 aufnimmt, nimmt zugleich die Vergleichsspannung der Spannungsquelle 25 auf, die größer ist als die andere Spannung.

Der Negativspitzendetektor 18 ist mit dem Pufferverstärker 17 zur Abtastung der niedrigen Spannung des Sensors und zur Speicherung des abgetasteten Wertes verbunden, so daß das Ausgangssignal repräsentativ ist für den letzten niedrigen Spitzenwert des Auspuffgassensors. Die Vergleichsspannung der Spannungsquelle 25 ist auf einen Wert eingestellt, der zwischen den Werten der hohen und niedrigen Spannung liegt, die erzeugt werden, wenn der Auspuffgassensor bei oder oberhalb seiner normalen Betriebstemperatur arbeitet. Daher wird bei normalen Betrieb mit geschlossenem Regelkreis der Schwellwert des Differenzverstärkers 22 auf der Spannung V^ (Fig. 3A) gehalten. Wenn bei Leerlaufbetrieb die Temperatur des Auspuffgassensors nach und nach abgefallen ist, nimmt der maximale Spitzenwert des Ausgangssignals des Sensors mit der Zeit ab, wie aus Fig. 3A her-

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vorgeht.

Eine Weitere Eigenschaft des Auspuffgassensors 12 in der Form eines Sauerstoffsensors liegt darin, daß der niedrige Spitzenwert zunimmt, wenn die Temperatur unter eine vorbestimmte Temperatur abfällt, und sich dem abnehmenden maximalen Spannungswert nähert und sodann wieder abnimmt mit einem schmalen Xnderungsbereich zwischen den maximalen und minimalen Spitzen, wie aus Fig. 3A her vorgeht. Daher wird das Summierungssignal größer als die Vergleichsspannung der Spannungsquelle 25, wenn die Sensortemperatur einen bestimmten Punkt erreicht, an dem der Schwellwert des Differenzverstärkers 22 mit der sich ändernden Spannung des Summierknotenpunktes 20 geändert wird.

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Die Größe der Grundgleichspannung V₂ wird so gewählt, daß von einem bestimmten Zeitpunkt an das Summiersignal den abnehmenden Spitzenwert überschreitet. Wenn dies der Fall ist, ist es wünschenswert, den Betrieb mit geschlossener Regelschleife zu unterbrechen, da der Auspuffgassensor keine verwertbaren Signale mehr liefert.

Zur Ausschaltung des Betriebs mit geschlossenem Regelkreis ist ein Positivspitzendetektor 23 mit dem Pufferverstärker 17 verbunden. Der Positivspitzendetektor 23 tastet die Maximalspitzenwerte des Ausgangssignals des Auspuffgassensors ab und hält sie über eine bestimmte Zeitperiode fest, so daß sein Ausgangssignal repräsentativ ist für den jüngsten Maximalspitzenwert des Auspuffgassensors.

Ein Komparator 24 ist mit dem Positivspitzendetektor 23 verbunden und bildet einen Vergleich mit dem Ausgangssignal des Summierknotenpunkts 20. Wenn das Summiersignal das Ausgangssignal des Positivspitzendetektors überschreitet, wird ein Ausschaltsignal an die Steuerschaltung 15 abgegeben, so daß der Betrieb mit geschlossenem Regelkreis unterbrochen wird.

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Bei Annäherung an den Ausschaltpunkt nähert sich der Schwellwert ebenfalls dem positiven Spitzenwert, so daß der Regelpunkt in Richtung der fetten Seiten eines stöchioAetrischen Cemisches verschoben wird. Folglich wird das Gemisch fetter eingestellt, so daß die Maschine während eines längeren Leerlaufes nach dem Betrieb mit geschlossenem Regelkreis stabil laufen kann.

Wenn der geschlossene Regelkreis abgeschaltet ist, nimmt das Summiersignal mit der Zeit ab, bis es die Vergleichsspannung V₁ erreicht. Diese Spannung wird ebenfalls als Schwellwert benutzt, wenn der geschlossene Regelbetrieb wieder aufgenommen wird.

Eine Abwandlung der Ausftihrungsform der Fig. 1 ist in Fig. 2 gezeigt, in der gleiche Bezugsziffern gleiche Teile wie in Fig. 1 betreffen. Eine Spannungsverkleinerungsschaltung 30 ist in Verbindung mit dem Positivspitzendetektor 23 gezeigt und dient zur Verkleinerung des Ausgangssignals des letzteren auf die Hälfte der maximalen Spannungsspitze, die durch den Positivspitzendetektor 23 abgetastet wird. Eine Klemmschaltung 31 ist mit der Spannungsverkleinerungsschaltung 30 verbunden und hält den Schwellenwert des Differenzverstärkers 22 auf dem Wert der verkleinerten Spannung fest, so daß der Schwellenwert bei diesem Wert verbleibt, so lange das Summiersignal unter der verkleinerten Spannung liegt.

Wie in Fig." 3B gezeigt ist, nimmt der Schwellenwert einen Wert in der Mitte zwischen dem maximalen und minimalen Spitzenwert ein, wenn das Ausgangssignal des Auspuffgassensors mit der Zeit abnimmt, und der mittlere Wert nimmt ebenfalls mit dem maximalen Spitzenwert ab, bis er dieselbe Spannung wie der Summierausgang erreicht. Anschließend nimmt der Schwellenwert den Wert des Summierausgangs an.

Die Ausschaltung des Betriebs mit geschlossener Regelschleife wird bewirkt, wenn der Komparator 24 abtastet, daß der

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Summierausgang des maximalen Spitzenwert überschreitet, wie es bereits oben beschrieben wurde. Eine feste Vergleichsspannungsquelle 32 ist mit der Schwellenwert-klemme des Differenzverstärkers 22 verbunden. Das Ausgangssignal des Komparators 24 ist mit der Vergleichsspannungsquelle 32 verbunden und erregt diese, wenn der Betrieb mit geschlossener Regelschleife unterbrochen ist, so daß die feste Vergleichsspannung an den Differenzverstärker gelangt. Diese feste Vergleichsspannung wird auf einen Wert eingestellt, der zwischen den Werten des maximalen und minimalen Spitzenwertes des Ausgangssignals des Sensors liegt, wenn der Sensor bei oder oberhalb normaler Betriebstemperatur arbeitet. Während der Unterbrechung der Rückkopplungssteuerung wird daher der Schwellenwert des Differenzverstärkers auf einem festen Wert gehalten, der als geeigneter Schwellenwert verwendet wird, wenn der geschlossene Regelbetrieb wieder aufgenommen wird.

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Leerse ite

Claims

TER MEER - MÜLLER - STEiNMEISTER

D-8000 München 22 D-4800 Bielefeld

Triftstraße 4 Siekerwall 7

PG23-77186

27. Dez. t977

NISSAN MOTOR COMPANY, LTD.

No. 2, Takara-machi, Kanagawa-ku,

Yokohama City, JAPAN

Vorrichtung zur Steuerung eines Auspuffgassensors

Patentansprüche

ClJ Vorrichtung zur Steuerung eines Auspuffgassensors eines Gemischregelsystems einer Brennkraftmaschine, welcher Auspuffgassensor ein Steuersignal an das Gemischregelsystem liefert und niedrige und hohe Spannungssignale entsprechend der Anwesenheit und Abwesenheit eines vorbestimmten Bestandteils des Auspuffgases bei oder oberhalb seiner normalen Betriebstemperatur liefert und eine innere Impedanz aufweist, die sich umgekehrt zu seiner Temperatur von einem sehr hohen Impedanz- wert unterhalb der Betriebstemperatur zu einem sehr niedrigen Impedanzwert bei Betriebstemperatur ändert, wobei die hohe Spannung mit der inneren Impedanz abnimmt und die niedrige Spannung sich der abnehmenden hohen Spannung nähert und sodann mit der inneren Impedanz abfällt, g e kennzeichne t durch eine Abtasteinrichtung (14) zur Abtastung der höheren Betriebstemperatur und zur Einstellung des Gemischregelsystems auf Steuerung mit geschlossener Regelschleife sowie zur Abtastung einer niedri-

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gen, unterhalb der Betriebstemperatur liegenden Temperatur und zut Umschaltung des Gemischregelsystems von einem Betrieb mit geschlossener Regelschleife zu einer offenen Steuerung, welche Abtasteinrichtung einen Differenzverstärker (22), dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Auspuffgassensors (12) und dessen zweiter Eingang mit einer veränderlichen Vergleichsspannung zur Erzeugung eines Differenzsignals verbunden ist, eine Spannungsquelle (25,30), deren Ausgangsspannung zwischen den hohen und niedrigen Spannungssignalen des Auspuffgassensors bei oder oberhalb normaler Betriebstemperatur liegt, eine Einrichtung (18) zur Abtastung des niedrigen Spannungssignals, eine Einrichtung (19) zum Addieren einer vorbestimmten Konstantspannung zu dem abgetasteten niedrigen Signal, wobei die veränderliche Vergleichsspannung die höhere der Ausgangsspannung der Addier-Einrichtung (20) und der mittleren Spannung ist, einen Positivspitzendetektor (23) zur Abtastung des hohen Spannungssignals und einen Komparator (24) umfaßt, der ein Komparatorsignal erzeugt, wenn die veränderliche Vergleichsspannung größer als die abgetastete hohe Spannung ist, welches Signal das Ausschaltsignal darstellt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Spannungsquelle zur Erzeugung der mittleren Spannung eine Spannungsverkleinerungsschaltung (30) umfaßt, die mit dem Positivspitzendetektor (23) verbunden ist und die abgetastete hohe Spannung verkleinert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine zweite Spannungsquelle (32) zur Erzeugung einer festen Spannung mit einem Wert zwischen den Werten der hohen und der niedrigen Spannungssignale, welche Spannung erzeugt wird, wenn der Auspuffgassensor bei oder oberhalb normaler Betriebstemperatur arbeitet, und durch eine Einrichtung (24, 32) zum Zuführen der festen Spannung zu dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers (22) entsprechend dem Ausschaltsignal.

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