DE2758217C2

DE2758217C2 - Vorrichtung zur Auswertung des Ausgangssignals eines Auspuffgassensors

Info

Publication number: DE2758217C2
Application number: DE2758217A
Authority: DE
Inventors: Masaharu Yokosuka Asano; Akio Yokohama 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: 1983-04-14
Also published as: GB1555284A; JPS5381827A; JPS616259B2; DE2758217A1; US4183335A

Description

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1. Vorrichtung zur Auswertung des Ausgangssignals eines Auspuffgassensors eines Gemischregelsystems einer Brennkraftmaschine, welches Ausgangssignal eine niedrige und eine hohe Spannung entsprechend der Anwesenheit und Abwesenheit eines vorbestimmten Bestandteils des Auspuffgases annimmt, wenn die Temperatur des Auspuffgassensors bei oder oberhalb seiner normalen Betriebstemperatur liegt, während bei abnehmender Temperatur des Auspuffgassensors die hohe Spannung abnimmt und die niedrige Spannung sich der abnehmenden hohen Spannung nähert und sodann mit dieser abfällt, mit einem Differenzverstärker, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Auspuffgassensors und dessen zweiter Eingang mit einer veränderlichen Vcrgleichsspannung zur Erzeugung eines Differenzsignals verbunden ist einer Abtasteinrichtung zur Abtastung der Temperatur des Auspuffgassensors und einer Umschalteinrichtung zur Umschaltung des Gemischregelsystems von einem Betrieb mit geschlossener Regelschleife auf offene Steuerung, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung eine Einrichtung (18) zur Abtastung der niedrigen Spannung und eine Einrichtung (23) zur Abtastung der hohen Spannung umfaßt, daß die Vorrichtung eine Spannungsquelle (25, 30), deren Ausgangsspannung zwischen den hohen und niedrigen Spannungssignalen des Auspuffgassensors bei oder oberhalb normaler Betriebstemperatur liegt, und eine Einrichtung (19, 20) zum Addieren einer vorbestimmten Konstantspannung zu der abgetasteten niedrigen Spannung umfaßt, daß die veränderliche Vergleichsspannung die höhere der Ausgangsspannung der Addier-Einrichtung (19, 20) und der Ausgangsspannung der Spannungsquelle (25, 30) ist und daß die Umschalteinrichtung einen Komparator (24) umfaßt, der ein Umschaltsignal erzeugt, wenn die veränderliche Vergleichsspannung größer als die abgetastete hohe Spannung ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle eine Spannungsverkleinerungsschaltung (30) umfaßt, die mit einem Positivspitzendetektor (23) verbunden ist und deren Ausgangsspannung ein Bruchteil der abgetasteten hohen Spannung ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine zweite, durch das Umschaltsignal gesteuerte Spannungsquelle (32), die während des Betriebs des Gemischregelsystems mit offener Steuerung eine feste Spannung an dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers (22) erzeugt, welche feste Spannung zwischen den hohen und niedrigen Spannungen des Auspuffgassensors bei oder oberhalb normaler Betriebstemperatur liegt.

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65 Aus der DE-OS 20 10 793 ist ein Gemischregelsystem bekannt, bei dem der Auspuffgassensor ein der absoluten Temperatur des Sensors proportionales Ausgangssignal erzeugt. In einer Divisionsschaltung zur Kompensation des Temperaturgangs wird das Ausgaagssignal durch das Signal einer die Sensortemperatur messenden Abtasteinrichtung dividiert. Das so kompensierte Signal wird einem Verstärker zugeführt, der außerdem ein Bezugssignal aufnimmt und an seinem Ausgang ein Steuersignal zur Steuerung des Luft-Brennstoffverhältnisses liefert. Das Bezugssignal ist entsprechend anderen Betriebsparametern veränderbar. Wenn die Temperatur des Auspuffgassensors unterhalb der normalen Betriebstemperatur liegt. Hefen die Divisionsschaltung ein gegenüber dem Bezugssignal vernachlässigbares Signal, so daß eine offene Steuerung des Gemisches anhand des Bezugssignals erfolgt.

Es sind ferner Auspuffgassensoren, insbesondere Sauerstoffsensoren bekannt, bei denen der Temperaturgang verhältnismäßig kompliziert ist und sich nicht so leicht kompensieren läßt. Typischerweise ändert sich die Ausgangsspannung eines solchen Sensors bei Veränderung der Abgaszusammensetzung sprunghaft zwischen einem hohen Wert und einem niedrigen Wert. Bei abnehmender Sensortemperatur erfolgt nicht nur eine Annäherung dieser beiden Werte, sondern zugleich eine gemeinsame Verschiebung beider Wer'.e nach oben oder nach unten. Bei Verwendung eines solchen Sensors in einem Gemischregelsystem ist es daher schwierig, unterhalb der normalen Betriebstemperatur die beiden Spannungswerte mit Hilfe einer einfachen Vergleichsschaltung zuverlässig voneinander zu unterscheiden. Die DE-OS 21 16 097 beschreibt ein Gemischregelsystem mit einem solchen Auspuffgassensor, das als Steuersignal ein Differenzsignal zwischen dem Ausgangssignal des Auspuffgassensors und einer Vergleichsspannung liefert. Die Temperatur des Auspuffgassensors wird durch einen Temperaturfühler überwacht, und bei Unterschreiten der normalen Betriebstemperatur des Auspuffgassensors wird von der Gemiscnregelung in geschlossener Regelschleife auf offene Steuerung umgeschaltet. Dies hat den Nachteil, daß nach einer Abkühlung des Auspuffgassensors, beispielsweise bei einem längeren Leerlauf der Brennkraftmaschine, für eine gewisse Zeit keine rückgekoppelte Regelung des Gemisches durchgeführt wird, so daß es während dieses Zeitraums zu einer erhöhten Schadstoffemission durch die Brennkraftmaschine kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Auswertung des Ausgangssignals eines Auspuffgassensors eines Gemischregelsystems einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die die Durchführung der Gemischregelung in geschlossener Regelschleife noch bei unterhalb der normalen Betriebstemperatur liegender Temperatur des Sensors gestattet.

Erfindungsgemäß wird die Temperatur des Auspuffgassensors anhand der Maxima und Minima des von dem Auspuffgassensor selbst gelieferten Ausgangssignals abgetastet. Eine Addier-Einrichtung addiert eine vorbestimmte Konstantspannung zu dem abgetasteten minimalen Wert der Ausgangsspannung des Auspuffgassensors. Die Vergleichsspannung, aus der zusammen mit dem Ausgangssignal des Auspuffgassensors das die Gemischzusammensetzung steuernde Differenzsignal gebildet wird, wird bei normaler Betriebstemperatur des Auspuffgassensors durch eine Spannungsquelle gelie-

fen. Wenn jedoch bei sinkender Sensortemperatur die minimale Spannung des Auspuffgassensors ansteigt und dadurch die Ausgangsspannung der Addier-Einrichtung größer als die Spannung der Spannungsquelle wird, so wird die Vergleichsspannung durch die Ausgangsspannung der Addier-Einrichtung gebildet. Solange die maximale und die minimale Ausgaigsspannung des Auspuffgassensors sich noch um mindestens die Konstantspannung unterscheiden, ist daher gewährleistet, daß die Vergleichsspannung zwischen der maximalen und der minimalen Spannung liegt, so daß ein für die Regelung verwertbares Differenzsignal auch noch unterhalb der normalen Betriebstemperatur erzeugt wird.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 2 zeigt eine Abwandlung der Austührungsform der F i g. 1;

Fig. 3A und 3B sind Signalwellendiagramme der Ausführungsformen der F i g. 1 und 2 zur Beschreibung der Arbeitsweise der Ausführungsformen.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit einer Regelung mit geschlossener Regelschleife in einem funktionellen 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 iin 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.

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

Der katalytische Konverter 13 ist in einer Devorzugten 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 Funktion der geschlossenen Regelschleife darin, die Brennkraftmaschine 10 mit einem Gemisch zu b5 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 Vergleichrsignal 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 gesteuert.

Der Abweichungsdetektor 14 umfaßt einen Pufferverstärker 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 Summierknotenpunkls 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 Differenzv^rstärkers 22 auf der Spannung Vi (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 F i g. 3A hervorgeht.

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 Änderungsbereich zwischen den maximalen und minimalen Spitzen, wie aus F i g. 3A hervorgeht. Daher wird das SummierunEssienal größer als die Vergleichsspan-

nung 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.

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.

Bei Annäherung an den Ausschaltpunkt nähert sich der Schwellwert ebenfalls dem positiven Spitzenwert, so daß der Regelpunkt in Richtung der fetten Seiten eines stöchiometrischen Gemisches 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 V\ erreicht. Diese Spannung wird ebenfalls als Schwellwert benutzt, wenn der geschlossene Regelbetrieb wieder aufgenommen wird.

Eine Abwandlung der Ausführungsform der F i g. 1 ist in F i g. 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, solange 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 Summieraiisgang den 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Auswertung des Ausgangssignals eines Auspuffgassensors, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Derartige Vorrichtungen finden Anwendung in Gemischregelsystemen für Brennkraftmaschinen, in denen die Gemischzusammensetzung anhand der durch den Auspuffgassensor abgetasteten Zusammensetzung der Auspuffgase geregelt wird.

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