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Einspritzanlage für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzanlage für Brennkraftmaschinen mit einer zur Erzeugung von Stromimpulsen dienenden monostabilen Kippschaltung. die wenigstens einen Transistor enthält, an dessen Steuerelektrode ein die Impulsdauer bestimmendes Zeitglied aus wenigstens einem Kondensitor und wenigstens einem diesem parallel liegenden Widerstand angeschlossen ist, der in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (beispielsweise von der Drosselklappenstellung, Drehzahl, Kühlwassertemperatur) veränderbar ist.
Es sind bereits elektrische Regelsysteme fürEinspritzanlagen bekannt geworden, bei denen Drehwiderstände vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von den jeweiligenBetriebsbedingungen derBrennkraftmaschi- ne verstellt werden. Es ist ausserdem bekannt, dass man mit Hilfe von gesteuerten Stromrichtern auf elektrischem Wege kurze Schaltzeiten erreichen kann, wenn man zur Bestimmung der Schaltdauer Zeitglieder verwendet, die aus einem Kondensator und einem Widerstand bestehen.
Auch sind bereits monostabile Kippschaltungen der eingangs beschriebenen Art für elektrisch gesteu- erte Einspritzanlagen vorgeschlagen worden, die zur Steuerung von elektromagnetisch betätigten Einspritz- ventilen verwendet werden sollten. Bei diesen wird die Öffnungszeit des Einspritzventils ebenfalls durch die Entladungszeitkonstante eines Zeitgliedes bestimmt, das aus einem Kondensator und einem parallel- geschalteten, mit der Drosselklappe gekuppelten Drehwiderstand besteht. Diese Vorschläge lassen jedoch unberücksichtigt, dass die je Arbeitsakt der Brennkraftmaschine einzuspritzende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der angesaugten Luftmenge geändert werden muss. Um eine ideale Gemischbildung zu erhalten, muss die eingespritzte Kraftstoffmenge zur angesaugten Luftmenge in einem sogenannten stöchio- metrischen Verhältnis stehen.
Dies liegt für Benzin etwa bei 14-16 kg Luft je kg Kraftstoff, während es bei Benzol etwa bei 13, 0 und bei Äthylalkohol etwa bis 9, 0 kg/kg Kraftstoff liegt. Die angesaugte Luftmenge ist jedoch durch Messung schwierig zu erfassen, da sie im wesentlichen von fünf Faktoren abhängt, nämlich von der Drosselklappenstellung und der Drehzahl der Brennkraftmaschine, von ihrer Kuhlwassertem- peratur sowie von der Aussentemperatur der Ansaugluft und dem äusseren Luftdruck, d. h. von der jeweiligen Höhe über dem Meeresspiegel. In gewissem Umfange spielt auch noch die Luftfeuchtigkeit eine Rolle.
Temperaturunterschiede der Ansaugluft können im Bereich von etwa-200 bis +800C auftreten. Ihr Einfluss auf das vom Motor angesaugte Luftgewicht ist etwa umgekehrt proportional der Wurzel aus der absoluten Temperatur. Es ist gefunden worden, dass die Einspritzmenge bei Änderung der Temperatur der Ansaugluft um 100 C um etwa 2, 5% geändert werden muss.
Um den Motor auch beiKühlwassertemperaturen unter derNormaltemperatur von 80-900 einwandfrei betreiben zu können, ist eine zunehmende Anreicherung des Gemisches bei abnehmender Kühlwassertemperatur erforderlich. Aus angestellten Versuchen ist ermittelt worden, dass im Bereich von-200 bis +600 Kühlwassertemperatur die Einspritzmenge um 2, 5 mms je Arbeitshub vergrössert werden muss, wenn die Temperatur um 100 sinkt. Die Korrektur für die Einspritzmenge bei einer Änderung des Luftdrucks um 100 mm Hg muss etwa 7 % betragen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erforderlichen Korrekturwerte als elektrische Steuergrössen derart in die zur Steuerung der Einspritzmenge dienende elektrische Kippschaltung einzuführen, dass sowohl eine additive Beeinflussung als auch eine multiplikative Beeinflussung der Impulsdauer durch die Steuergrössen möglich ist. Die Drosselklappenstellung, die Drehzahl und die Kühlwassertemperatur müssen additiv zur Wirkung gebracht werden, wogegen die Temperatur der Ansaugluft und der äussere Luft-
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druck multiplikativ auf die Impulsdauer einwirken sollen.
Dies lässt sich bei einer Einspritzanlage der eingangs geschildertenArt erreichen, in deren Kippschal- tung erfindungsgemäss das Zeitglied wenigstens einen in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der
Brennkraftmaschine (Drosselklappenstellung, Drehzahl, Kühlwassertemperatur) veränderbaren Widerstand umfasst und ausserdem an ein Potential angeschlossen ist, das in Abhängigkeit von anderen Betriebsbedin- gungen (Temperatur der Ansaugluft, äusseren Luftdruck) veränderbar ist. Zum Anschluss des Zeitgliedes an ein von den Betriebsbedingungen abhängiges Potential kann ein Spannungsteiler vorgesehen sein, der wenigstens einenweiteren,inAbhängigkeit vondenBetriebsbedingungenveränderbarenWiderstand enthält.
Besonders einfache Schaltungen ergeben sich, wenn gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung parallel zum Kondensator des Zeitgliedes eine Reihenschaltung aus Widerständen angeschlossen ist, von denen je einer in Abhängigkeit von der Drehzahl, der Drosselklappenstellung und der Kühlwassertempe- ratur selbsttätig veränderbar ist und wenn gleichzeitig in den Spannungsteiler ein mit der Ansauglufttem- peratur und ein mit dem äusseren Luftdruck veränderbarer Widerstand eingeschaltet wird.
In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine elektrische Einspritzanlage dargestellt : Fig. l zeigt ein Schaltbild einer Einspritzanlage und Fig. 2 ein vereinfachtes Prinzipschaltbild zur Erklärung der Wirkungsweise der Anlage nach Fig. 1. In Fig. 3 ist ein Schaubild und in Fig. 4 ein Teileiner abgeänderten Einspritzanlage dargestellt.
Die Einspritzanlage nach Fig. l weist mehrere Enspritzdüsen auf, von denen in der Zeichnung nur eine dargestellt und mit 10 bezeichnet ist. Jede dieser Einspritzdüsen ist an eine nicht dargestellte Förderpumpe angeschlossen, die im Innenholhraum der Düsen den einzuspritzenden Kraftstoff gespannt hält, solange der Ventilkegel 11 gegen die Durchflussöffnung 12 der Düse anliegt. Der Ventilkegel 11 kann von seinem Sitz durch einen Eisenkern 13 eines Elektromagneten abgehoben werden, dessen Stromspnle 14 an den Ausgangskreis eines Strom verstärkers 15 angeschlossen ist.
Der Einspritzzeitpunkt und die Uffnungs- dauer des elektromagnetischen Einspritzventils 10 wird durch eine Steuereinrichtung bestimmt, die im wesentlichen aus einer monostabilen Kippschaltung mit zwei Transistoren Tl und T2 besteht. Im Ruhezu- stand ist der Transistor T2 praktisch stromlos, der Transistor Tl stromleitend. In diesen Zustand kehren sie selbsttätig wieder zurück, wenn sie durch einen, mit der Brennkraftmaschine umlaufenden Nocken 16 und einen mit diesem zusammenarbeitenden Kontaktarm 25 kurzzeitig in entgegengesetzte Betriebszustände gesteuert worden sind.
Im einzelnen ist an die Basiselektrode B des Transistors Tl ein Kondensator C von etwa 0, 15 J. lF an - geschlossen, der parallel zu drei in Reihe geschalteten veränderbaren Widerständen R30, R31 und R32 liegt von denellder mit R32 bezeichnete unmittelbar mit der einen Belegung des Kondensators C und mittelbar über eine Diode D3 mit der Basiselektrode B verbunden ist, wogegen der mit R30 bezeichnete an der andern Belegung des Kondensators C liegt.
An diese Belegung ist ausserdem ein Widerstand R6 angeschlossen, der zur Kollektorelektrode K des Transistors T2 führt, sowie eine Reihenschaltung mit zwei Festwiderständen R1=500 Q und R2=5 k Q und mit zwei veränderlichen Widerständen R3 und R4. An den Verbindungspunkt zwischen dem einseitig an den Minuspol seiner Betriebsstromquelle angeschlossenen Widerstand R1 und dem Widerstand R2 ist eine Einrichtung zur Spannungsbegrenzung angeschlossen, die aus einer Zenerdiode D1 und einem dieser parallel geschalteten Kondensator Co besteht. Diese Begrenzungseinrichtung ist für die Wirkungsweise der Anlage ohne entscheidende Bedeutung und wird daher im folgenden nicht näher erläutert.
AndemgleichenAnschlusspunktw1e"diese liegen zwei weitere Festwiderstände 20 und 21 von je 5 k n.
Der mit 20 bezeichnete führt zur Emitterelektrode E des Transistors T2 und von dieser über einen weiteren Festwiderstand 22 von etwa 500 ss zum Pluspol der Betriebsstromquelle, wogegen der mit 21 bezeichnete zur Kollektorelektrode K des Transistors Tl führtDiese Elektrode ist über einen Festwiderstand 23 mit der Basis des Transistors T2 verbunden, deren Potential durch einen mit dem Pluspol der Betriebsstromquelle verbundenen Widerstand 24 von 5 k a im Ruhezustand bestimmt wird.
Die beiden Widerstände 20 und 22 ergeben den einen Zweig einer Brückenschaltung, deren anderer Zweig durch die Widerstände 21 und 23 und den Widerstand 24 gebildet wird. Die einzelnen Brückenwiderstände sind so gewählt, dass im Ruhezustand das Potential der Basiselektrode B des Transistors T2, der mit seiner Steuerstrecke im Diagonalzweig der Brücke liegt, gleich oder etwas höher ist als das Potential der Emitterelektrode E des Transistors T2.
Erfindungsgemäss bilden die Widerstände R30, R31 und R32 zusammen mit dem Kondensator C ein Zeitglied, dessen Entladezeitkonstante um so grösser ist, je grösser der eingestellte Wert der Widerstände R30 und R32 ist. Durch nicht dargestellte Mittel ist der Wert des Widerstandes R30 in Abhängigkeit von der Stellung der im Ansaugkanal der Brennkraftmaschine liegenden, in der Zeichnung nicht dargestellten
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Drosselklappe einstellbar, wogegen der mit ihm in Reihe liegende Widerstand R 31 durch einen in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellten Fliehkraftregler verstellbar ist.
Der dritte veränderbare Widerstand R32 des Entladekreises des Kondensators C wird von einem Heissleiter gebildet, der im Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine liegt und einen niedrigen Widerstandswert hat, wenn die Ktihlwassertemperatur hoch ist, dagegen einen höheren Widerstandwert, wenn die Kühlwassertemperatur der Brennkraftmaschine niedrig ist. Wie weiter unten bei der Erklärung der Wirkungsweise näher dargelegt ist, wirken sich Änderungen der Widerstände R30, R31 und R32 additiv auf die Spritzzeit und daher auf die jeweils eingespritzte Kraftstoffmenge aus.
Demgegenüber wirken sich Änderungen der veränderbaren Widerstände R3 und R4 multiplikativ auf die eingespritzte Kraftstoffmenge aus. Der Widerstand R3 wird von einem im Ansaugkanal der Brennkraftmaschine angeordneten Heissleiterwiderstand gebildet. Er hat bei hoher Temperatur der Ansaugluft einen niedrigen Widerstand, bei niederer Ansauglufttemperatur einen hohen Widerstand. Der Widerstand R4 dagegen ist als Drehwiderstand ausgebildet, dessen Schleifer durch eine nicht dargestellte Membrane In Abhängigkeit vom Druck der Aussenluft verstellbar ist.
. Die Wirkungsweise der Anlage ist folgende : Solange sich der mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine umlaufende Nocken noch vor seiner Schliessstellung befindet und der bewegliche Schaltarm 25 noch die dargestellte Öffnungslage einnimmt, wird das Potential der Basiselektrode B des Transistors T2 durch den stromleitenden Transistor Tl bestimmt, der praktisch einen Kurzschluss zu den Brückenwiderständen 23 und 24 bildet. Der Widerstand 22 im Emitterkreis des Transistors T2 ist so hoch gewählt, dass in diesem Fall das Emitterpotential niedriger ist als das Basispotential des Transistors T2. Es kann daher über den Transistor T2 kein Strom fliessen.
Erst wenn der Schaltarm 25 durch den Nocken 16 in seine Schliessstellung gebracht wird, bekommt die Basis des Transistors T2 über den Gleichrichter D2 und den Kondensator C3 die volle negative Spannung der Minusklemme der Betriebsstromquelle und der Transistor T2 wird stark stromleitend. Ein über die Widerstände R2, R3 und R4 fliessender Kollektorstrom J2 erzeugt an diesen einen hohen Spannungsabfall. Dies hat zur Folge, dass wegen des praktisch auf die volle Betriebsspannung aufgeladenen Kondensators C das Potential der Basis B des Transistors Tl positiver wird als sein Emitterpotential und der Transistor
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stromleitend gewordene Transistor T2 in diesem Betriebszustand weiterhin bleibt, auch wenn der Schalter in seine Offenstellung zurückgeht.
Sobald jedoch der Kondensator C sich soweit entladen hat, dass die zwischen der Basis B und dem Emitter E des Transistors Tl verbleibende Restspannung unter den Wert 0 abgesunken ist und der Transistor Tl daher wieder stromleitend wird, bringt der am Widerstand 21 infolge des Kollektorstrom Jl entstehende Spannungsabfall den Transistor T2 in seinen Sperrzustand zurück, indem er bis zum nächsten Schliessaugenblick des Schalters 25 verbleibt.
Am Anschlusspunkt des Stromverstärkers 15 entstehen daher rechteckförmige Impulse 40, deren Impulsbreite in der Zeichnung mit T angedeutet ist. Die Impulsbreite entspricht derjenigen Zeit, die vom Schliessaugenblick des Kontaktarms 25 bis zu demjenigen Zeitpunkt vergeht, in dem der Kondensator sich soweit entladen hat, dass die Restspannung zwischen Basis und Emitter des Transistors Tl unter den Wert 0 abgesunken ist.
Die Impulsbreite und damit auch die Menge des unter konstantem Druck eingespritzten Kraftstoffs hängt einerseits davon ab, wie gross die Entladezeitkonstante des aus dem Kondensator C und den Widerständen R30, R31 und R32 bestehenden Zeitgliedes ist, und ausserdem von der Höhe desjenigen Potentials, an das der Transistor T2 das Zeitglied im Schliessungsaugenblick anlegt. Änderungen des mit der Drosselklappe gekuppelten Widerstandes R30, des durch einen Fliehkraftregler verstellbaren Widerstandes R31 und des von der Kühlwassertemperatur abhängigen Widerstandes R32 wirken sich additiv auf die Länge der Spritzzeit T aus.
Demgegenüber haben Änderungen des von der Ansauglufttemperatur abhängigen Widerstandes R3 und des vom Luftdruck abhängigen Widerstandes R4 einen multiplikativen Einfluss auf die Spritzzeit, da sie das Potential, an dem das Zeitglied angeschlossen ist, in Abhängigkeit von den genannten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine verändern.
Die multiplikative Wirkung der im Spannungsteiler angeordneten Widerstände R3 und R4 und die additive Wirkung der im Entladestromkreis des Zeitgliedes angeordneten Widerstände R30, R31 und R32 lässt sich an Hand des in Fig. 2 dargestellten Prinzipschaltbildes der Anlage nach Fig. l verhältnismässig leicht übersehen. Im Schaltbild nach Fig. 2 sind die beiden Transistoren der Kippschaltung wie in Fig. l mit Tl und T2 bezeichnet.
Der von der Temperatur der Ansaugluft abhängige Widerstand R3 und der vom
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Druck der Aussenluft abhängige Widerstand R4 sind zusammen mit dem Festwiderstand R2 der Fig. l zu einem in gewissen Grenzen veränderbaren Widerstand Ry zusammengefasst, der zusammen mit dem Widerstand R6 einen Spannungsteiler bildet, an dem die Basis B des Transistors Tl über das aus dem Kondensator C und den ihm parallel geschalteten Widerstand Rx bestehende Zeitglied angeschlossen ist. Im Widerstand Rx ist die Reihenschaltung aus dem von der Stellung der Drosselklappe abhängigen Widerstand R30, dem von der Drehzahl abhängigen Widerstand R31 und dem von der Temperatur des Kühlwassers der Brennkraftmaschine abhängigen Widerstand R32 zusammengefasst.
Es gilt daher
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Ausgangspunkt der Betrachtung sei der Ruhezustand der Kippschaltung, bei dem der Schaltarm 25 sich in der Offenstellung befindet, der Transistor Tl stromleitend und der Transistor T2 stromlos ist.
Der aus dem Widerstand Ry und dem Widerstand R6 gebildete Spannungsteiler ist daher zunächst unwirksam. Der Ladekondensator C des Zeitgliedes lädt sich auf eine Spannung Uc auf, die praktisch gleich gross ist wie die Betriebsspannung Ub der Kippschaltung ; denn der Widerstand Ry ist klein gegenüber dem zum Kondensator C parallel liegenden Widerstand Rx. Es kann daher gesetzt werden :
Uc max = Ub.
Sobald der Transistor T2 durch Schliessen des Kontaktarms 25 einen in Fig. 2 mit Ui bezeichneten Steuerimpuls erhält und infolgedessen einen starken Kollektorstrom J2 über den etwa 6kO aufweisenden Widerstand R6 zu führen vermag, wird der aus den Widerständen Ry und R6 gebildete Spannungsteiler wirksam. Am Widerstand Ry entsteht dann ein Spannungsabfall Uv, der sowohl das Anschlusspotential des Zeitgliedes C/Rx, als auch das Potential der Basis B des Transistors Tl bestimmt. Die zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Tl wirksame Spannung Ube lässt sich dann folgendermassen angeben :
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Im Zeitpunkt to = 0 liegt am Kondensator die Spannung Uc max = Ub, die sich mit t auf den Wert
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verringert, wobei r = Rx. C die Zeitkonstante des Zeitgliedes ist.
Der Kondensator C entlädt sich nach
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3Im Zeitpunkt T soll die Kippschaltung in ihren Ruhezustand zurückkehren, d. h. der Transistor Tl soll wieder stromleitend werden und den Transistor T2 sperren. Dies ist aber nur möglich, wenn im Zeitpunkt T der Kondensator sich soweit entladen hat, dass Ube = 0 ist.
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Hieraus ersieht man, dass Änderungen der Widerstände R30, R31 und R32 additiv auf die Impulsbreite T und damit auf die eingespritzte Kraftstoffmenge einwirken, während die Änderungen der Widerstände R3 und R4 sich multiplikativ auswirken.
Die in der Schaltung nach Fig. l vorgesehenen Gleichrichter D2 und D3, die in die Basiszuleitungen der Transistoren Tl und T2 eingeschaltet sind, sollen den Temperatureinfluss auf die Transistoren herabsetzen, wenn diese aus Germanium bestehen. Es empfiehlt sich in diesem Falle, als Gleichrichter Siliziumdioden zu verwenden. Wenn an Stelle von aus Germanium bestehenden Flächentransistoren Tl und T2 solche aus Silizium mit genügend hoher Belastbarkeit gewählt werden, kann auf die Verwendung zusätzlicher Siliziumdioden verzichtet werden.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist in die Basiszuleitung des Transistors Tl ebenfalls eine Siliziumdiode D3 eingeschaltet und die Impulsform durch einen zwischen der Diode D3 und der Basis B angeschlossenen Ableitwiderstand 42 von etwa 100 K Q verbessert.
An Stelle des veränderbaren, aus mehreren einzeln veränderlichen Widerständen zusammengesetzten Gesamtwiderstandes Rx nach Fig. 2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein dritter Transistor T3 vorgesehen, dessen wirksamer Emitter-Kollektorwiderstand durch einen seiner Basis zugeführten Strom Jb geändert werden kann. Dieser Strom kann beispielsweise von einem dem Kühlwasser ausgesetzten Thermoelement erzeugt werden. Ausserdem ist dem Ladekondensator C ein Entladewiderstand 43 in Reihe geschaltet. Dieser Widerstand ergibt den für den Schwingungseinsatz notwendigen Spannungsabfall. Die Verwendung eines Transistors im Entladekreis hat den grossen Vorteil, dass der Entladestrom praktisch einen konstanten Wert annimmt und die Entladekurve des Kondensators daher annähernd geradlinig verläuft.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. l wird beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 das Anschlusspotential des aus dem Kondensator C und dem Transistor T3 sowie dem Reihenwiderstand 43 gebildeten Zeitgliedes nicht durch einen veränderbaren Spannungsteiler, sondern durch zwei in den Spannungteiler R2 und R6 eingeschaltete Gleichspannungsgeneratoren Gl und G2 bestimmt. Die Generatoren liefern jeweils in ihrer Höhe von einzelnen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, beispielsweise von der Drehzahl und der Drosselklappenstellung abhängige Spannungen. Es ist selbstverständlich auch möglich, die gelieferten Spannungen z. B. mittels eines als Oktanwähler ausgebildeten Widerstandes der jeweiligen Oktanzahl des verwendeten Kraftstoffes anzupassen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einspritzanlage für Brennkraftmaschinen mit einer zur Erzeugung von Stromimpulsen dienenden monostabilen Kippschaltung, die wenigstens einen Transistor enthält, an dessen Steuerelektrode ein die Impulsdauer bestimmendes Zeitglied aus wenigstens einem Kondensator und wenigstens einem diesem parallel liegenden Widerstand angeschlossen ist, der in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (beispielsweise von der Drosselklappenstellung, Drehzahl, Kühlwassertemperatur) ver- änderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitglied an ein Potential angeschlossen ist, das in Abhängigkeit von ändern Betriebsbedingungen (beispielsweise von der Temperatur der Ansaugluft, dem äusse- ren Luftdruck) veränderbar ist.