DE4313374C2 - System zur Regelung des Luft/Kraftstoff-Mischungsverhältnisses - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Regeln des Mischungsverhältnisses eines einem Verbrennungsmotor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemischs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es werden verschiedene Methoden zur Einschränkung des Schadstoffausstoßes - Stickoxide, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffe - von Motoren eingesetzt. Ein Verfahren arbeitet mit einem Sauerstoffühler in der Abgasleitung des Motors, um den Sauerstoffanteil zu messen und ein Steuer­ signal abzuleiten, das ein Ventil betätigt, das auf das Mischungsverhältnis des dem Motor zugeführten Luft/Kraft­ stoffgemischs wirkt. Ist das Gemisch zu fett, ist der Koh­ lenmonoxid- und Kohlenwasserstoffanteil im Abgas zu hoch und der Sauerstoffanteil niedrig. Ist andererseits das Ge­ misch zu mager, wird die Motorleistung beeinträchtigt.

Man hat zahlreiche Systeme entwickelt, um das Luft/Kraft­ stoff-Mischungsverhältnis als Funktion der Abgase zu re­ geln. Die meisten von ihnen wurden für Kfz-Motore mit Bordcomputern entwickelt, die zahlreiche Funktionen steu­ ern. Typischerweise wird das vom Sauerstoffühler erzeugte Analogsignal digitalisiert und auf den Computer gegeben. Der Computer führt eine Anzahl von Berechnungen aus und gibt ein digitales Steuersignal ab, das analogisiert und auf einen Motor gegeben wird, der einen Vergaser oder ein Kraftstoffeinspritzventil steuert.

Während man viele höchst ausgefeilte Systeme für Kraft­ fahrzeuge entwickelt hat, sind diese für kleine Motoren nicht geeignet. Es ist einzusehen, daß die Gestehungsko­ sten eines Kfz-Motors und die Wartung, die er erfährt, sich extrem unterscheiden von denen eines Rasenmähermo­ tors. Aus wirtschaftlichen Gründen ist die Verwendung von digitalen Rechners und der zugehörigen Elektronik für Kleinmotoren nicht möglich. Entsprechend hat man auf Kleinmotoren rein analog arbeitende Schaltungen einge­ setzt; wegen der Beschränkungen hinsichtlich der Kosten und der Empfindlichkeit von Analogschaltungen gegenüber Temperatur und Alterungseinflüssen haben diese Analog­ schaltungen nur sehr begrenzte Fähigkeiten.

In der GB 1 556192 wird ein System zur Regelung des Verhältnis­ ses eines einem Verbrennungsmotor zugeführten Luft/Kraftstoff- Gemisches offenbart, das eine elektronische Steuereinrichtung zum Betreiben eines Schrittschaltmotors umfaßt, der ein Neben­ ventil steuert, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu ändern. Da­ bei verschiebt ein Schieberegister die Zwischensignale, die es empfängt, sequentiell an seinen Ausgängen. Diese Ausgangssignale werden zum Antreiben des Pulsmotors verwendet.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine kostengünstige und vor allem zuverlässige Regelung für den Schadstoffausstoß von Kleinmotoren. Dabei wird die höhere Zuverlässigkeit erzielt, in­ dem durch die Verwendung eines Flip-flops ein auf dem Verhältnis zwischen Abgas- und Bezugspegelsignal beruhendes Vergleichs­ signal gespeichert und ein Richtungssignal erzeugt wird, wodurch der Schrittschaltmotor betrieben wird. Weiterhin wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis durch eine gemittelte Sensor-Ablesung angepaßt.

Die vorliegende Erfindung schafft ein System zur Regelung des Luft/Kraftstoff-Gemischs für eine Verbrennungskraft­ maschine mit einem an der Maschine angeordneten Fühler zur Erfassung des Abgaspegels und zur Abgabe eines diesen an­ zeigenden Analogsignals, mit einer Einrichtung zum Erzeu­ gen eines Bezugspegelsignals, das den Sollpegel des Abga­ ses angibt, einem Vergleicher, der das analoge Abgassignal und das Bezugspegelsignal aufnimmt und betrieblich ein Logik-Ausgangssignal mit einem erstes Pegel, wenn das analoge Abgassignal das Bezugspegelsignal übersteigt, und ein Logik-Ausgangssignal mit einem Pegel abgibt, wenn das analoge Abgassignal niedriger als das Bezugspegelsignal ist, einem Taktsignalgenerator zur Abgabe von Taktimpul­ sen, einem an den Vergleicher und den Taktgenerator ange­ schlossenen Flipflop, das den Zustand des Vergleicheraus­ gangssignal bei jedesmaligem Empfang eines Taktimpulses speichern und an einem Ausgang ein entsprechendes Rich­ tungssignal abgeben kann, einem an der Maschine angebrach­ ten Schrittschaltmotor zur Steuerung des Luft-Kraftstoff- Gemischs und einer an den Taktgenerator und das Flipflop angeschlossenen Schrittschaltmotor-Steuerung, die betrieb­ lich den Schrittschaltmotor für jeden empfangenen Taktim­ puls in der vom Zustand des Flipflops angezeigten Richtung um einen Schritt weiterschaltet.

Die vorliegende Erfindung ist ein System zur Regelung des Luft/Kraftstoff-Gemischs einer Verbrennungskraftmaschine mittels eines Schrittschaltmotors und als Funktion eines erfaßten Abgases. Wegen seiner günstigen Kosten und Wart­ barkeit ist es besonders für Kleinmotore geeignet. Der Schrittschaltmotor kann ein Ventil in einem Vergaser oder einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung steuern und ändert das Luft/Kraftstoff-Gemisch bei jedem Taktimpuls um einen diskreten Betrag. Der Schrittschaltmotor läuft vor, bis im Abgas die richtige Gasmenge erfaßt wird, und schaltet dann im eingeschwungenen Betrieb um den Sollpunkt hin und her.

Mit der bevorzugten Ausführungsform wird ein kostengün­ stiger Fehlerdetektor angegeben, der anzeigt, ob das Emis­ sionsregelsystem richtig arbeitet. Der Fehlerdetektor weist eine zweite Vergleichseinrichtung auf, die das Ana­ logsignal aufnimmt und ein Signal mit einem ersten Logik­ pegel abgibt, wenn das Analogsignal innerhalb eines vor­ eingestellten Bereichs liegt, und ein Logiksignal mit einem zweiten Pegel abgibt, wenn das Analogsignal außer­ halb des voreingestellten Bereichs liegt. Ein Überwa­ chungszeitgeber ist an den zweiten Vergleicher angeschlos­ sen und erzeugt betrieblich ein Fehleranzeigesignal, wenn das Signal mit dem zweiten Logikpegel länger als ein vor­ eingestelltes Zeitintervall erzeugt wird. Das Fehleranzei­ gesignal kann eine Lampe erregen, um dem Betreiber zu mel­ den, daß die Maschine mit zu fettem oder zu magerem Ge­ misch läuft, und kann auch zum selbsttätigen Stillsetzen der Maschine dienen.

Diese und weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfin­ dung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die Teil derselben sind und eine bevorzugte Aus­ führungsform der Erfindung darstellen.

Fig. 1 ist ein Schaltbild der bevorzugten Emissions­ regelung nach der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2 ist ein Schaltbild der Fehlerdetektorschaltung, die Teil des Systems der Fig. 1 ist.

Die Emissionsregelung ist in Fig. 1 gezeigt und weist einen Sauerstoffühler auf, der auf dem Abgasverteiler 8 eines Kleinmotors 9 angeordnet ist und ein Analogsignal über einem Referenzwiderstand 11 erzeugt. das Analogsignal zeigt den Sauerstoffanteil im Abgas einer Verbrennungsma­ schine 9 an, die ein Luft/Kraftstoff-Gemisch aus einem Ventil 7 erhält. Es kann für diesen Zweck ein Fühler wie das Fabrikat mit der Teilenummer 25106073 der Fa. General Motors, AC Spark Plug Division, verwendet werden; es er­ zeugt eine Spannung im Bereich von 0 bis 1000 mV ab, die an eine Pufferschaltung 12 geht. Eine niedrige Ausgangs­ spannung zeigt einen mageren Betrieb (mehr Kraftstoff nötig), eine hohe Spannung einen fetten Betrieb (weniger Kraftstoff nötig) an. Beim Anlassen des Motors, wenn der Sauerstofffühler 10 inaktiv ist, zieht der Widerstand 11 den Eingang auf den niedrigen Pegel, um einen mageren Be­ trieb zu simulieren. es wird dann zusätzlicher Kraftstoff zugegeben, um das Anlaßverhalten zu verbessern. Das Aus­ gangssignal des Puffer geht auf ein um einen Operations­ verstärker 13 herum aufgebautes Tiefpaßfilter mit einer so hohen Grenzfrequenz, daß der Frequenzgang des Sauerstoff­ fühlers 10 nicht beeinträchtigt wird. Damit werden höher­ frequente Störungen vor der Verstärkung des Sauerstoffsig­ nals mit einem Operationsverstärker 14 herausgefiltert. Die Widerstände 15 sind auf bekannte Weise mit dem Ver­ stärker 14 verschaltet und auf ausreichende Verstärkung gewählt.

Das gefilterte und verstärkte Sauerstoffsignal wird ge­ mittelt. Dies erfolgt mit einem Widerstand 16 und einem Kondensator 17. Der Widerstand hat einen Wert von 330 kΩ und der Kondensator einen solchen von 0,47 µF. Zusammen bilden sie ein RC-Glied, das bei 18 ein Sauerstoffanteils­ signal abgibt, das den Mittelwert des vom Sauerstoff 10 angezeigten Sauerstoffanteils angibt.

Dieses Sauerstoffanteilssignal 18 zeigt an, wie der Motor läuft. Ist es niedrig, läuft der Motor fett und sind die CO-Emissionen (Kohlenmonoxid) hoch. Ist das Signal ande­ rerseits hoch, läuft der Motor mager und u. U. mit Lei­ stungsverlust. Die vorliegende Erfindung steuert die Kraftstoffzufuhr 6 durch Betätigen des Ventils 7. Das Ventil 7 kann Teil eines Vergasers oder einer Kraftstoff­ einspritzung oder einer Kombination aus beiden sein.

Das Mischungsverhältnis des dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemischs wird durch Vergleich des Sauerstoff­ anteilssignals 18 mit einem an den Eingang 19 gelegten Bezugsanteilssignal verglichen. Das Bezugsanteilssignal ist eine Gleichspannung, die auf den Motorbetrieb mit ver­ schiedenen Luft/Kraftstoff-Mischungsverhältnissen im Be­ reich von 0,2% bis 0,8% CO-Emission eingestellt werden kann. Dieser Sollpunkt wird auf optimale Motor- und Kata­ lysatorleistung eingestellt. Das Sauerstoffanteilssignal 18 und das Bezugsanteilssignal 19 werden an die Eingänge eines Komparators 20 gelegt. Das Ausgangssignal des Kom­ parators 20 springt zwischen einem niedrigen Logikpegel, der anzeigt, daß der Sauerstoffanteil unter dem Bezugswert liegt, und einem hohen Logikpegel hin- und her, der an­ zeigt, daß der Sauerstoffanteil über dem Bezugswert liegt.

Dieses Logikpegelsignal wird an den D-Anschluß eines Flip­ flops 21 gegeben, um die Richtung eines Schrittschaltmo­ tors 22 zu steuern, der seinerseits das Luft/Kraftstoff- Gemisch steuert. Ein Taktgenerator 23 gibt am Ausgang 24 60-Hz-Impulse zum Takten des Flipflops 21 ab. Das Flipflop 21 geht also in den vom Komparator 20 angegebenen Zustand über und sein Ausgang Q geht an den Richtungseingang einer Schrittschaltmotorsteuerung 25. Die Schrittschaltmotor­ steuerung 25 ist ein handelsüblicher IC-Baustein, der auch 30-Hz-Impulse aus dem Taktgenerator 23 übernimmt. Er er­ zeugt Signale für einen Schrittschaltmotortreiber 26, der den Schrittschaltmotor 22 mit jedem 30-Hz-Taktimpuls einen Schritt in der vom Zustand des Flipflops 21 bezeichneten Richtung fortschaltet. Die in der bevorzugten Ausführungs­ form verwendeten Schaltungen 25 und 26 sind von der Fa. SGS-Thomson Microelectronics als L297 (Schrittschaltmotor­ steuerung) und L293 (4-Kanal-Gegentakttreiber) erhältlich.

Fällt der gemessene Sauerstoffanteil im Abgas des Motors unter den Bezugswert 19 ab, wird der Schrittschaltmotor 22 schrittweise fortgeschaltet, um den Kraftstoffanteil im dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisch zu verrin­ gern. Steigt andererseits der gemessene Sauerstoffanteil über den Bezugswert 19 hinaus an, ändert das Flipflop 21 seinen Zustand und wird der Schrittschaltmotor 22 in der anderen Richtung gedreht, um die Kraftstoffzufuhr zu erhö­ hen. Im eingeschwungenen Zustand schaltet der Schritt­ schaltmotor 22 um den Einstellpunkt hin und her, der den gewünschten Sauerstoffanteil im Abgas ergibt. Hinsichtlich einer ausführlicheren Beschreibung des Schrittschaltmotors 22 und seiner Anordnung zum Steuern des Motorenventils wird auf die US-PS 50 33 433 des Anmelders verwiesen.

Da der Schrittschaltmotor 22 das Emissionsniveau des Mo­ tors steuert, muß bei laufendem Motor das System durchge­ hend einwandfrei arbeiten. Um dies zu gewährleisten, über­ wacht eine Fehlererfassungsschaltung 30 das den gemessenen Sauerstoffanteil angebende Signal 18. Wird eine Störung erfaßt, erzeugt die Fehlererfassungsschaltung 30 ein Feh­ lermeldesignal an einem Ausgang 31. Dieses Signal erregt eine Fehlermeldelampe 32 und triggert einen Triac 33, der die Zündleitung des Motors 34 nach Masse kurzschließt. Wie unten ausführlicher beschrieben, wird bei einer Fehlermel­ dung der Motor mindestens 20 bis 25 Sekunden stillgesetzt und währenddessen die Lampe 32 erregt, um dem Betreiber den Anlaß der Stillsetzung mitzuteilen.

Wie insbesondere die Fig. 2 zeigt, weist die Fehlererfas­ sungsschaltung 30 ein Paar Komparatorschaltungen 40, 41 auf, an die das Sauerstoffanteilssignal 18 gelegt ist. Weiterhin nimmt der Komparator 40 das Bezugssignal 19 auf und sein Ausgang ist über einen Widerstand 42 an die Basis eines Transistors 43 gelegt. Ein einen hohen Sauerstoffan­ teil anzeigendes Bezugssignal ist über den Anschluß 44 an den zweiten Eingang der Komparatorschaltung 41 gelegt. Der Ausgang der Komparatorschaltung 41 ist ebenfalls über einen zweiten Kopplungswiderstand 45 an die Basis des Transistors 43 gelegt, die auch über einen Kondensator 46 an Masse gelegt ist. Der Widerstand 47 zieht den Kollektor des Transistors auf einen Logik-H-Pegel, während der Kol­ lektor an den Rücksetzeingang eines 12-Bit-Binärzählers 48 gelegt ist.

Solange das dem gemessenen Sauerstoffanteil entsprechende Signal 18 über dem Bezugsanteilssignal 19 und unter dem Bezugssignal 44 liegt, bleibt der Transistor 43 gesperrt und liegt am Rücksetzeingang des Zählers 48 ein Logik-H- Pegel. Folglich wird der Zähler ständig auf null gesetzt und zählt trotz der 30-Hz-Taktimpulse an seinem Eingang nicht hoch. Liegt jedoch das den gemessenen Sauerstoffan­ teil anzeigende Signal außerhalb des von den Bezugssigna­ len 19 und 44 festgelegten Bereichs, wird der Transistor 43 durchgeschaltet und der Rücksetzanschluß des Zählers auf den Logik-L-Pegel gezogen. Als Resultat beginnt der Binärzähler, den 30-Hz-Takt hochzuzählen. Hält eine der Bedingungen 60 Sekunden lang an, tritt am höchstwertigen Digitalausgang des Zählers 48 ein Logik-H-Signal auf, das einen Fehler anzeigt. Dieses Signal lädt über den Puffer 49 und eine Diode 51 einen Kondensator 50. der Kondensator 50 hält die Ladung 20 bis 25 Sekunden lang, was ausreicht, um an einen Eingang eines Komparators 52 eine Spannung zu legen, die eine am anderen Eingang 53 des Komparators lie­ gende Bezugsspannung übersteigt. Zeigt also der Zähler 48 einen Fehler an, wird der Ausgang 31 des Komparators 52 20 bis 25 Sekunden lang auf eine Fehlermeldespannung (Logik- H-Pegel) angehoben. Dieses Intervall ist mit den Werten des Kondensators 50 und eines Ableitwiderstands 54 vorein­ gestellt.

Die erfindungsgemäße Emissionsregelung hält den Sauer­ stoffanteil im Abgas unter normalen Arbeitsbedingungen auf dem Bezugsniveau. Fällt die Regelung jedoch aus, zeigt der Sauerstofffühler 20 einen Sauerstoffanteil außerhalb des von den Bezugsspannungen 19 und 44 festgelegten Bereiches an. Hält dieser Zustand länger als eine Minute an, spricht der Zähler 48 an und erscheint am Ausgang 31 das Fehler­ meldesignal, das den Motor stillsetzt und die Lampe 32 er­ regt.

Es ist für den Fachmann einzusehen, daß sich die bevorzug­ te Ausführungsform der Erfindung vielfältig abändern läßt, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Die voreingestellten Zeitintervalle und der normale Arbeitsbe­ reich hängen erheblich von der Größe des Motors und seiner Anwendung ab. Es sind zahlreiche Abgassonden im Handel und ihre Eigenschaften bestimmen im Einzelfall die Verstär­ kungsfaktoren der Verstärker und die erforderlichen Fil­ terfrequenzen.

Claims (7)

1. System zum Regeln des Mischungsverhältnisses eines einem Verbrennungsmotor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemischs, umfassend einen Fühler (10), der am Motor (9) angebracht ist, um den Anteil eines Abgases zu erfassen und ein diesen anzeigendes Analogsignal zu erzeugen; eine Einrichtung (19) zur Erzeugung eines Bezugssignals, das den Sollanteil des Abgases angibt; einen Komparator (20), der das analoge Abgassignal und das Bezugssignal aufnimmt und betrieblich ein Ausgangssignal mit einem ersten Logikpegel abgeben kann, wenn das analoge Abgassignal das Bezugssignal übersteigt, und ein Ausgangssignal mit einem zweiten Logikpegel abgeben kann, wenn das analoge Abgassignal unter dem Bezugssignal liegt; einen Taktgenerator (23) zum Erzeugen von Taktimpulsen; einen am Motor (9) montierten Schrittschaltmotor (22) zum Steuern des Luft/Kraftstoff- Gemischs; und eine Schrittschaltmotorsteuerung (25), die an den Taktgenerator (23) anschließbar ist, gekennzeichnet durch ein an den Komparator (20), an den Taktgenerator (23) und an die Schritt­ schaltmotorsteuerung (25) gelegtes Flip-flop (21), das betrieblich den Zustand des Komparatorausgangs bei jedem Eingang eines Taktimpulses speichern und als Ausgangssginal ein entsprechendes Richtungssignal erzeugen kann, wodurch betrieblich der Schrittschaltmotor (22) für jeden empfangenen Taktimpuls einen Schritt in der vom Zustand des Flip-flops angegebenen Richtung fortgeschaltet wird, und durch eine Mittelungsschaltung, die zwischen den Sensor und den Komparator gelegt ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Gas Sauerstoff ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Fehlerdetektor (30), der das analoge Abgassignal aufnimmt und betrieblich einen Fehler meldet, wenn dieses Signal für ein vorbestimmtes Zeitintervall außerhalb eines voreingestellten Bereichs bleibt.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerdetektor Mittel zum Stillsetzen des Motors für die Dauer eines Abschaltintervalls aufweist, wenn ein Fehler gemeldet wird.

5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerdetektor eine Komparatoreinrichtung (40, 41) zur Aufnahme des analogen Abgassignals und Erzeugung eines Logiksignals, das angibt, ob dessen Pegel inner- oder außerhalb des voreingestellten Bereichs liegt, sowie einen an den Taktgenerator und die Komparatoreinrichtung angeschlossenen Zähler (48) aufweist, der betrieblich ein Fehlermeldesignal erzeugen kann, wenn das Logiksignal anzeigt, daß das analoge Abgassignal länger als das voreingestellte Intervall außerhalb des voreingestellten Bereichs gelegen hat.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der voreingestellte Bereich auf dem Referenzschwellensignal und einem hohen Sauerstoffreferenzsignal basiert, das von der Einrichtung zum Erzeugen eines Referenzsignals erzeugt wird.

7. System nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Fehlerdetektor eine Einrichtung zur visuellen Anzeige einer Fehlerbedingung aufweist.