DE1902618C - Puldauer Modulatorschaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pulsdauer-Modulatorschaltungsanordnung zur Erzeugung von Impulsen, deren Dauer einer Induktivität proportional ist sowie die Weiterbildung einer derartigen Einrichtung zur Regelung der Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor.

In der Meß- und Regeltechnik benötigt man häufig Einrichtungen, die eine beliebige physikalische Größe in eine elektrische Größe umformen. Insbesondere stellt sich häufig die Aufgabe, einen gemessenen Weg in ein proportionales elektrisches Signal umzuwandeln, um diesen Meßwert entweder in einem Sichtgerät exakt anzeigen zu können oder ih.i in einer Steuerstrecke oder einem Regelkreis auf einfache Weise weiterverarbeiten zu können. Eine solche mechanisch elektrische Umwandlung ist nicht nur bei direkten Wegmessungen, wie sie z. B. Längen- und Rauheitsmeßgeräte durchführen, erwünscht, sondern überhaupt bei allen Meßgeräten dienlich, die irgendeine andere physikalische Größe zunächst in eine mechanische Verschiebung umsetzen, wie es beispielsweise bei Manometern. Barometern oder bei auf Wärmedehnung beruhenden Temperaturmessern der Fall ist. Das gleiche gilt für Bedienungselemente, wie Drehknöpfe oder Stellhebel, die ein ihrer mechanischen Verschiebung proportionales elektrisches Signal liefern sollen.

Dieses Signal kann eine Spannungs- oder Stromamplitude sein, deren Höhe der mechanischen Verschiebung entspricht. Zur digitalen Weiterverarbeitung und für bestimmte Steuerzwecke ist es jedoch günstiger, wenn das elektrische Signal in Form von Impulsen erscheint, deren zeitliche Dauer ein proportionales Maß für die umgesetzte Größe ist. Ein solcher dauermodulierter Impuls läßt sich leicht in ein digitales Signal überführen, indem man beispielsweise

nur während der Impulsdauer einem Digitalzähler verstärker mit ohmschen Widerstand am Eingang Taktimpulse einer festen Frequenz zuführt, so daß und Kapazität im Gegenkopplungszweig mit nachder Zählerstand am Impulsende e^:n digitales Maß folgender Triggerschaltung- Diese Schaltung arbeitet für die Impulsdauer ist Auch zur intermittierenden zwar linear, es ist aber erforderlich, daß der zu Steuerung von ArbeitsabläuPra, beispielsweise zur 5 messende mechanische Weg vorher bereits in eine Kraftstoffeinspritzung in Verbrennungsmotoren wäh- elektrische Gleichspannung umgewandelt wurde, da rend des Ansaugtaktes erweist sich die Ansteuerung der Spannungsanstieg über die am Eingang liegende mittels dauermodulierter Impulse als praJrliscb. Die Gleichspannung gesteuert wird. Diese Umwandlung jeweils abgegebene Kraftstoffmenge wird hierbei von ist aufwendig und/oder mit Nachteilen verbunden der Länge eines Impulses bestimmt, die ihrerseits io wie bei einem Potentiometer mit Abnutzung, Vervon bestimmten physikalischen Zuständen in der schmutzungsgefahr, Erschütterungsempfindlichkeit. Motoranlage abhängig gemacht wird. Wird jedoch Die Aufgabe der Erfindung besteht somit in der eine analoge elektrische Größe benötigt, so kann die Schaffung einer Schaltungsanordnung, mit der Im-Folge dauermodulierter Impulse mit einer sehr ein- pulse in ihrer Breite durch Veränderung einer Induktifachen Einrichtung, z. B. mittels eines Siebgliedes, in 15 vität moduliert werden können und bei der die ein Analogsignal umgesetzt werden, welches einen der Proportionalität zwischen Induktivität und Impuls-Impulsdauer proportionalen Mittelwert abgibt. breite besser ist als bei den bisher bekannten Schal-

Zur Erzeugung von Impulsen veränderlicher Dauer tungen.

sind Sägezahngeneratoren und Schwellwertschalter Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine

oder monostabile Kippschaltungen gebräuchlich. Hier- 20 Serienschaltung der Induktivität mit dem Eingang

bei verstellt man die Impulsbreite entweder durch eines ohmig rückgekoppelten Funktionsverstärkers.

Variation der Schwellenspannung oder durch Varia- dessen Ausgangssignal beim Erreichen einer vorge-

tion der Zeitkonstanten eines KC-Gliedes. Die Meß- gebenen Amplitude über einen Schwellwertschalter

größe bzw. ein Betätigungsglied kann zu diesem Zweck eine bistabile Kippstufe zurückschaltet, deren Aus-

den Schleifkontakt eines Potentiometers verschieben, 25 gang durch einen den Impulsbeginn markierenden

was den Nachteil einer großen Empfindlichkeit gegen über Schmutz und Erschütterungen hat. Veränderliche Kapazitäten können in der hier benötigten Größe (nF bis μΡ) nicht mehr gebaut werden. Kapazitive

Au-' 'seimpuls auf ein feste* Potential einschaltbar ist und über die Induktivität mit dem Eingang des FuSktionsverstärkers verbunden ist.

_v.~ _- ,_. , _o ^_ Nach dem Einschalten der Kippstufe durch den

Weggeber in anderen Schaltungen erfordern relativ 30 Auslöseimpuls bleibt diese zunächst im eingeschalteten

hohe Frequenzen, woraus sich ebenfalls bekannte Zustand, d. h.. ihr Ausgang folgt einer Sprungfunktion,

Probleme ergeben. die durch die Serienschaltung der Induktivität mit

Es ist daher günstig. Meßgeber und Betätigungs- dem Verstärker zu einer Rampenfunktion integriert

glieder als veränderliche Induktivitäten auszuführen, wird. Zurückgeschaltet wird die Kippstufe erst, wenn

bei denen die erwähnten Nachteile nicht auftreten. 35 die Rampenfunktion emen gewissen Wert erreicht hai.

Sie sind unempfindlich gegenüber hohen und tiefen Da die Rampensteilh«. t vom Wert der Induktivität

Temperaturen, können zudem berührungslos aus- abhängt, erfolgt die Zurückschaltung je nach diesem

geführt werden und haben ein hohes Auflösungsver- Wert früher oder später, d. h., es entsteht ein durch die

mögen. Darüber hinaus ermöglicht ein Induktivgeber Induktivität in seiner Breite festlegbarer Impuls am

die niederohmige Ausführung einer zugehörigen elek- 40. Ausgang der Kippstufe.

trischen Schaltung, wodurch die Störungsempfind- Mit dieser Anordnung wurde eine weit bessere lichkeit weiter vermindert wird.

Bekanntgewordene derartige Schaltungen, bei denen

die Induktivität beispielsweise Teil des Zeitgliedes

einer monostabilen Kippeinrichtung ist, haben den 45 nicht feststellbar. Theoretisch ist zwar eine sehr geringe

Nachteil, daß der Zusammenhang zwischen dem Nichtlinearität wegen des unvermeidlichen ohmschen Wert der Induktivität bzw. des sie beeinflussenden
mechanischen Gliedes und der Zeitdauer des Impulses

nicht linear ist, und jeweils gleiche Charakteristiken _{D r}

schwer zu reproduzieren sind. Dies erschwert eine 50 einspritzung in Verbrennungsmotoren nicht meßbar Serienfertigung, da bei jedem Exemplar umstand- aus. Um jedoch auch diese, sich eventuell bei Präliche Justierungen vorzunehmen sind. zisionsmessungen auswirkenden. Nichtlinearitäten

So wurde beispielsweise in der USA.-Patentschrift auszuschalten, wird in weiterer Ausgestaltung der 3 203 410 eine Schaltung vorgeschlagen, bei der an Erfindung eine Kompensationsschaltung angegeben, die Primärwicklung eines Transformators eine Gleich- 55 bestehend aus einem von dem Eingangsstrom des spannung aufgeschaltet wird und — nachdem die in Funktionsverstärkers angesteuerten Proportionalregder Sekundärwicklung induzierte Spannung eine be- ler. dessen Ausgangsspannung dem von der Kippstimmte Größe unterschritten hat wieder abge- stufe gelieferten festen Potential überlagert ist und schaltet wird. Der Trafokern wird hier verschiebbar de en Verstärkungsfaktor so bemessen ist, daß seine angeordnet. Die Dauer des Einschaltimpulses hängt 60 Ausgangsspannung gleich ist dem ohmschen Spandamit zwar von der Induktivität respektive Stellung nungsabTall zwischen dem festen Potential und dem des Kernes ab, die Spannung auf der Sekundärseite Eingang des Funktionsverstärkers. ■ verläuft aber — wie in der Anmeldung in Sp. 3, Z. 71. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird angegeben — nach einer e-Funktion. Damit ist der die Induktivität durch eine Spule gebildet und ist erwähnte Nachteil der Nichtlinearität zwischen Weg 65 durch mechanische Beeinflussung, insbesondere durch und impulsbreite verbunden. räumliche Verschiebung eines im Feld der Spule

Eine andere Schaltung (aufgeführt in der britischen befindlichen Eisenkerns, veränderbar. Es kann ferner Patentschrift 910 787) verwendet einen Operations- manchmal günstig sein, die Induktivität der Spule

Linearität zwischen Induktivität und Impulsdauer erzielt, als es mit bisher bekannten Schaltungen möglich war. Linearitätsabweichungen waren praktisch

1^1 IVrfUl.llllV.Cll UUl ·» ^.£,*-». -wwu —.. . .

Widerstandes der Induktivität vorhanden, sie wirkt sich jedoch bei der praktischen Verwendung der Schaltung, beispielsweise zur Steuerung der Kraftstoff-

• 1 . nt

iurch elektrische Vormagnetisierung des Eisenkerns zu verändern. Hierdurch können dem eigentlichen Meß- oder Stellwert, der durch die räumliche Verschiebung zwischen Spule und Kern definiert sein könnte, noch Korrekturgrößen überlagert werden. z. B. durch Speisung des Vormagnetisierungsstroms aus einer Konstanlspannungsquelle über einen temperaturabhängigen Widerstand, der bei einer Einspritzregelung von der Kühlwassertemperatur beaufschlagt werden kann. Die Einflüsse beider Größen multiplizieren sich in diesem Fall. Es liegt weiter im Bereich der Erfindung, die Induktivität auf zwei Spulen aufzuteilen, wobei die Induktivität der ersten Spule durch mechanische Beeinflussung und eventuell zusätzlich durch elektrische Korrekturgrößen über Vorstrommagnetisierung beeinflußt wird, während die zweite Induktivität nur durch Korrekturgrößen über V01 Strommagnetisierung veränderbar ist. Es können auch mehrere mechanisch beeinflußte Spulen hintereinandergeschaltet werden. Die Einflüsse addieren sich in diesen Fällen.

Ausgestaltungen der neuen Schaltung, in der diese Maßnahmen sinnvoll kombiniert werden, um eine Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor zu ermöglichen, sind weiterhin Gegenstand der Erfindung. Gemäß einer ersten Ausfuhrungsform ist der Wert der Induktivität durch die Stellung eines Gaspedals und die Drehzahl des Motors bestimmt, während die Frequenz und die Phase der Auslöseimpulse von der Kurbelwelle gesteuert ist, und die durch die Induktivität dauermodulierten Ausgangsimpulse die Kraftstoffeinspritzung intermittierend steuern. Hierbei stellt sich als günstig heraus, wenn der Wert der Induktivität durch die räumliche Lage eines im Feld der Spule befindlichen Eisenkerns bestimmt ist, der auf einer Profilfläche gleitet, deren relative Lage zur Spule in einer Koordinate durch den Ausschlag eines Drehzahlmessers und in der anderen Koordinate durch die Bewegung des Gaspedals veränderlich ist.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird der Eisenkern der Spule vom Ausschlag einer den Unterdruck im Ansaugrohr feststellenden Meßdose verschoben, und dem Ausgang des Funktionsverstärkers ist das Ausgangssignal eines Funktions- generators überlagert, der aus der Motordrehzahl einen Korrekturwert bildet, während die breitemodulierten Impulse die Kraftstoffeinspritzung intermittierend steuern.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen and den zur Erläuterung dieser Beispiele dienenden Zeichnungen. Hierbei zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Schaltung zur Variation einer Impulsdauer,

F i g. 2 die an einzelnen Punkten der Schaltung nach F i g. 1 auftretenden Signale,

F i g. 3 eine Abwandlung der Schaltung nach der Fig.1,

F i g. 4 in der Schaltung nach F i g. 3 auftretende Signale.

F i g. 5 eine weitere Abwandlung der Schaltung nach F i g. 1,

F i g. 6 in der Schaltung nach S auftretende Signale,

F i g. 7 und 8 jeweils Erweiterungen der in F i g. 1 gezeigten Schaltung zu Steuereinrichtungen für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor.

Die F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung im Blockschaltbild. Die veränderliche Induktivität L ist dem Funktionsverstärker P vorgeschaltet, dessen Ausgang über den Widerstand R auf den Eingang rückgekoppelt ist. Bei dem Verstärker P handele es sich um einen Rechenverstärker, dessen Eingangsstrom vernachlässigbar klein ist. Unter dieser Voraussetzung lassen sich allgemein für den in die Schaltung fließenden Strom i, die Eingangsspannung U_E, die Ausgangsspannung U₄ und die in der Induktivität induzierte Spannung U₁ folgende Beziehungen aufstellen:

U_£ + U₁

= 0

dr

Aus Gleichungen (i) und (2) ergibt sich

di

U_F = +L

dt

ju_Edt =

+ L-i.

Eliminiert man den Strom 1" unter Berücksichtigung der Gleichung (3), so erhält man

U_rdt = -L

El
R

und nach Umformung

= --~ \U_Fdt.

Der in F i g. 1 enthaltene Schaltungsteil 1 wirkt somit als Integrator. Ist die Eingangsspannung U_E konstant, so gilt für die Ausgangsspannung U₄:

U₁ = -U_F

t + const..

d. h., wenn die Eingangsspannung einer zum Zeitpunkt t = 0 einsetzende Sprungfunktion folgt, wird

und am Ausgang erscheint eine von Null ausgehende, linear aufsteigende Spannung, deren Steilheit umgekehrt proportional zu L ist. Die Zeit, die verstreicht, bis die Ausgangsspannung einen bestimmten Wert U₇-erreicht, beträgt nach Gleichung (5):

t = —

d, Il, sie ist der Induktivität proportional.

Das Blockschaltbild nach der F i g. 1 zeigt ferner einen der Integratorschaltung 1 nachgeschalteten Schwellwertschalter 2, der als einfacher Trigger ausgebildet sein kann, sowie einen bistabilen Multivibrator (Flip-Flop) 4. welches von dem Trigger 2 und einer Impulsleitung 3 ansteuerbar ist. Die dargestellte Anordnung erzeugt auf Grund eines Auslöseimpulses einen Rechteckimpuls, dessen zeitliche Länge der In-

duktivität L des Integrators 1 proportional ist. Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei zunächst angenommen, das Flip-Flop 4 sei im Zustand »0«, d. h., an seinem Ausgang liege kein Potential. Ein zum Zeitpunkt J₀ auf der Leitung 3 einlaufender Auslöseimpuls U₃ (vgl. F i g. 2) versetzt das Flip-Flop 4 in den zweiten stabilen Zustand »1«, so daß sein Ausgang nach einer Sprungfunktion auf ein konstantes Potential ansteigt. Dieser Potentialverlauf ist als U₄ gemeinsam mit Impulsformen an anderen Stellen der Schaltung in der F i g. 2 dargestellt. Die Sprungfunktion gelangt über die Leitung 5 zum Eingang des Integrators 1, der sie in eine von Null ausgehende linear ansteigende Spannung — U₁ umformt. Sobald diese Spannung - U₁ den Schwellwert U_T des Triggers 2 erreicht hat, liefert dieser einen Rücksteilimpuls U₂ an das F!ip-F!op4. Diese Rückstellung, die zum Zeitpunkt t, erfolgt, bewirkt ein sprunghaftes Absinken des Potentials am Ausgang des Flip-Flops und somit auch am Eingang des Integrators 1. Die Integration dieser umgekehrten Sprungfunktion hat zur Folge, daß ab dem Zeitpunkt t, die Integrator-Ausgangsspannung — Ui wieder linear bis zum Wert Null abfällt. Hiermit ist der ursprüngliche Zustand der Schaltung wieder hergestellt, und beim Einlaufen eines weiteren Auslöseimpulses kann das Spiel von neuem beginnen.

Mit dem Erscheinen eines Auslöseimpulses auf der Leitung 3 beginnt also ein Rechteckimpuls am Ausgang des Flip-Flops 4, der so lange andauert, bis die Integrator-Ausgangsspannung -1/, den Schwellwert U_T des Triggers 2 erreicht. In Anlehnung an Gleichung (6) ist diese Zeit

U_T L
.It = t, - t₀ =

U₁ R

SiP) =

Up) U(p)

35

Der Rechteckimpuls, dessen Breite It der Induktivität L somit proportional ist, kann über die Leitung 6 zu Meß- oder Steuerzwecken entnommen werden.

Die vorangegangenen Berechnungen und Aussagen gelten streng genommen nur für eine verlustfreie Induktivität L. Wenn man den Verlustwiderstand R_L, der als in Reihe mit der Induktivität liegend angesehen werden kann, rechnerisch berücksichtigt, erhält man an Stelle der Gleichung (5) zwangsläufig eine andere Funktion für die Integratorausgangsspannung

u_A = f(u_E,t)

als Antwort auf eine eingangsseitige Sprungfunktion

Die Laplace-Transformierte der Antwort ist demnach

U_E U_E 1

p(R_L + p-L)

Die Rücktransformation ergibt den Zeitverlauf des Stromes

Wegen der Beziehung U_A = i.· R nach Gleichung(3) erhält man für die Ausgangsspannung

Bei Verwendung einer verlustbehafteten Induktivität steigt also die Ausgangsspannung des Integrators 1 nicht genau linear, sondern nach einer e-Funktion an,

die gegen eine um den Faktor -5- erhöhte Grenz-

spannung geht. Dieser Verlauf ist stark übertrieben als gestrichelte Kurve im Schaubild für — U₁ der F i g. 2 eingetragen. In der Praxis braucht man jedoch nur einen kleinen Anfangsteil dieser e-Funktion auszunutzen, der als ausreichend linear angesehen werden kann. Dies ist dann gut möglich, wenn der Rückkopplungswiderstand R groß gegenüber dem Verlustwiderstand R_L gewählt wird.

Man kann das Entstehen der nichtlinearen Funktion Gleichung (7) physikalisch damit erklären, daß die Spannung an L nicht konstant bleibt, sondern um den an R_L abfallenden Betrag kleiner wird. Es gibt jedoch eine Möglichkeit, die Spannung an der Induktivität L genau konstant zu halten und somit eine streng lineare Abhängigkeit zwischen L und der Steilheit des Integrator-Ausgangssignals zu erreichen. Man betrachte den Fall, daß an den Eingang eine Spannung gelegt wird, die aus einer Sprungfunktion (Konstantspannung) und einer überlagerten linear ansteigenden Funktion zusammengesetzt ist. Diese Spannung hat demnach den zeitlichen Verlauf:

U_E = C₁ + C₂-1.

Hierbei kann zunächst mittels der Laplace-Transformation der Strom i als Antwort errechnet werden. Die übertragungsfunktion ist in diesem Fall

Die Laplace-Trar=fo-mierte dieser Zeitfunktion is dann

und mit der übertragungsfunktion

ergibt sich dann für die Transformierte des Strome JlL j- ^C2

(mit ρ = j ω).
Die Laplace-Transformierte der Eingangsfunktion

U(t) = U_E-y(t) 65 ⁼ "R"

lautet

^ + P-J

~r"~p~

Nach Rücktransformierung und Umrechnung erbi

man den zeitlichen Verlauf des Stroms vom Zeitpunkt I = 0 an:

(9)

Diese Beziehung setzt sich zusammen aus zwei e-Funktionen und einer linearen Funktion. Für die Bedingung

R₁

(10)

sind die c-Funktionen entgegengesetzt gleich und heben sich auf. Der Strom folgt dann der linearen Funktion

■ r,

(H)

und die Ausgangsspannung des Integrators verläuft entsprechend linear. Setzt man den aus Gleichung (10) eliminierten Wert für C₂ in Gleichung (8) ein, so ergibt sich für die erforderliche Eingangsspannung

U_E = C₁ +

Cr

t.

Sie läßt sich zusammensetzen aus einer Konstantspannung

und einem linear ansteigenden Teil

= C₂ ·ί =

C₁

t.

(12)

Dieser "lineare Teil ist zwar genau die Spannung, die an R_L abfällt, sie kann jedoch nicht gesondert abgegriffen werden, da R_L als Verlustwiderstand der Induktivität nicht getrennt verfügbar ist.

In F i g. 3 ist daher eine Schaltung angegeben, mit der die gewünschte Eingangsspannung erhalten werden kann. Die Signalverläufe an einzelnen Punkten der Schaltung sind in F i g. 4 bildlich dargestellt. Um den linear ansteigenden Teil Uj₂ der Eingangsspannung abgreifen zu können, ist in Reihe mit der verlustbehafteten Induktivität (L, R₁) ein Widerstand R_K geschaltet, der somit vom Spulenstrom i durchflossen wird. Sein Wert soll klein gegenüber dem Verlustwiderstand R_L der Induktivität sein (Beispiel: R_L = 0,99 Ohm, R_K = Ο,ΌΙ Ohm). Der Strom durch L, R_L und R_K beträgt dann in Abwandlung von Gleichung (11)

iff) =

Rl

und die an R_K abfallende Spannung

U_K =

genau die von außen anzulegende, linear ansteigende Uberlagerungsspannung U_E. Dem Abgriff an R_K ist daher ein Verstärker 7 mit dem gewünschten Verstärkungsfaktor nachgeschaltet. Dieser Faktor läßt sich leicht ermitteln, da der Verlustwiderstand R₁ der Induktivität und R_K bekannt sind. Der Verstärkerausgang, der die erforderliche Spannung U_E2-C₂-t führt, wird in der Additionsstufe 8 zu dem vom Flip-Flop 4 kommenden Rechteckimpuls (U_a = C₁)

ίο addiert. Damit bleibt die Spannung an L für die Dauer des Impulses konstant, das Ausgangssignal — U₁ des Verstärkers P steigt streng linear an, und der gewünschte strenge lineare Zusammenhang zwischen Induktivität und Impulsdauer kann mit der restlichen Schaltung (2, 3, 4) erreicht werden. Die Funktionsweise dieser restlichen Schaltung wurde bereits im Zusammenhang mit Fig.! und 2 erläutert,

Das Verhältnis von Impulsdauer zu Pausendauer der Ausgangsimpulse des Flip-Flops 4 kann höchstens

1 betragen, d. h., die Impulspause ist mindestens genausolange wie die Dauer des breitemodulierten Rechteckimpulses, da für den Rückgang der Verstärkerausgangsspannung — U₁ genausoviel Zeit benötigt wird wie für den Anstieg. Um diese Verlustzeit, die auf Kosten der Modulationsbreite geht, zu verkürzen, kann man den Rücklauf beschleunigen, indem man während des Rücklaufs eine hohe, der der ursprünglichen Spannung entgegengesetzt gerichtete Eingangsspannung an den Integrator 1 anlegt. Eine andere im Bereich der Erfindung liegende Möglichkeit besteht darin, über einen mechanischen oder elektronischen Schalter einen großen Widerstand in Reihe zur Induktivität und R_K zu schalten. Hierzu kann man diesen Widerstand fest einlöten und durch einen Schalter überbrücken, der nur während des Rücklaufs ausgeschaltet wird. Zweckmäßigerweise wird dabei auch die Spannung U₁₂ abgeschaltet, die den Rücklauf ebenfalls verzögern würde. Der Strom durch die Induktivität klingt dann nach einer e-Funktion

/ = Ve" f

ist somit der an R_L abfallende Spannung [U_Q aus Gleichung (12)] proportional. Wird die an R_K abge-

R + R

griffene Spannung um den Faktor -^=—— (im genannten Beispiel um 100) verstärkt, so erhält man ab. wobei die Zeitkonstante T = -=— jetzt wesentlich kleiner ist als vorher.

Man kann jedoch auch zur Erhöhung der Modulaiionsbreite die Impulsdauer insgesamt verlängern, indem man die linear abfallende Ausgangsspannung des Integrators für die Erzeugung der Rechteckimpulse mit benutzt. Eine hierzu geeignete Schaltung ist in F i g. 5 angegeben. Die an verschiedenen Punkten dieser Schaltung auftretenden Signalformen sind als Zeitranktionen in F i g. 6 dargestellt.

In Erweiterung der Schaltung nach F i g. 3 ist in F i g. 5 dem Ausgang des Verstärkers P ein zweiter Trigger 9 nachgeschaltet, der im Gegensatz zum Trigger 2 ein Ausgangssignal U₉ abgibt, wenn der Verstärkerausgang Null wird. Der Trigger 9 steuert dann ein weiteres Flip-Flop IO zurück in die Nullstellung, welches durch den Auslöseimpuls zuvor in die Stellung »1« umgeschaltet worden ist. Die Abnahme der dauennodulierten Ausgangsimpulse erfolgt nun nicht mehr am Flip-Flop 4, sondern am Flip-Flop 10.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 5 werde im Zusammenhang mit den Schaubildern in F i g. 6 erläutert. Zum Zeitpunkt I₀ stellt ein auf der Leitung 3 erscheinender Auslöseimpuls U₃ beide Flip-

<r

Flops 4 und 10 auf »1«. Der am Ausgang des Flip-Flops 4 somit einsetzende Rechteckimpuls U₄ bewirkt in der bereits beschriebenen Weise ein lineares Ansteigen der Ausgangsspannung U₁ des Verstärkers F. Zum Zeitpunkt J₁ spricht daraufhin der Trigger 2 an und schaltet das Flip-Flop 4 zurück auf »0«. Die Verstärkerausgangsspannung U₁ fällt daraufhin linear wieder ab, bis sie zum Zeitpunkt t₂ den Wert Null erreicht. Hierdurch wird der Trigger 9 erregt (Kurve U₉ in F i g. 6), der seinerseits das Flip-Flop 10, welches ebenfalls zum Zeitpunkt I₀ durch den Auslöseimpuls eingeschaltet worden ist, zurück in den Zustand »0« versetzt (vgl. U₁₀ in Fig. 6). Am Ausgang des Flip-Flops 10 kann also ein Rechteckimpuls U₁₀ entnommen werden, der zum Zeitpunkt I₀ beginnt und zum Zeitpunkt t₂ endet. Mit dem nächsten Auslöseimpuls zum Zeitpunkt f₃, der unmittelbar auf t₇ folgen kann, steigt die Ausgangsspannung U₁ des Verstärkers P erneut an, und das Ausgangssignal U₉ des Triggers 9 verschwindet. Das gleiche Spiel kann somit fortgesetzt werden.

Da Anstiegzeit und Abfallzeit der Spannung U₁ proportional zum Wert der Induktivität L ist, ist die Breite des Rechteckinipulses U₁₀ am Ausgang des Flip-Flops 10 ebenfalls der Induktivität proportional. Diese Breite kann je nach dem Wert der induktivität von annähernd 0 bis T₃-I₀ variiert werden, d. h., der Modulationsbereich erstreckt sich fast über den gesamten Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Auslöseimpulsen.

Für das einwandfreie Arbeiten der Schaltung nach der F i g. 5 ist es erforderlich, daß der Auslöseimpuls beim Setzen Flip-Flops 10 Vorrang hat und so lange ansteht, bis der Trigger 9 zurückgeschaltet hat. Diese Bedingungen sind leicht einzuhalten. Der Aufbau der benötfgten Verstärker-, Trigger-, Flip-Flop- und Addierschaltungen ist allgemein bekannt und bedarf keiner detaillierten Erörterung. Es sei noch darauf hingewiesen, daß die durch das Dreiecksymbol (P und 7) dargestellten Verstärker keinesfalls hochwertige Rechen verstärker sein müssen. Der gewünschte Zweck kann oft auch mit sehr einfachen Verstärkern, die zum Teil nur aus einer einzigen Stufe bestehen, erreicht werden. Ähnliches gilt für die anderen Bausteine, so können z. B. für die Trigger Unijunctiontransistoren, Schmitt-Trigger, vorgespannte Dioden oder Zenerdioden mit Verstärkern verwendet werden.

Wie bereits erwähnt, läßt sich die in den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 1 bis 6 veranschaulichte Schaltungsanordnung als Steuereinrichtung für automatische Kraftstoffeinspritzung in Verbrennungsmotoren vorteilhaft weiterbilden. Wenn der Wert der Induktivität durch die Stellung der Drosselklappe im Luftansaugrohr und die Motordrehzahl bestimmt wird und die Frequenz und Phase der Auslöseimpulse durch die Kurbelwelle bzw. Nockenwelle des Motors gesteuert wird, können die dauermodulierten Ausgangsimpulse dazu dienen, die Einspritzventile zu betätigen. Die Kraftstoffzufuhr wird dann dem jeweiligen Bedarf angepaßt. Eine hierzu dienende Anordnung ist in F i g. 7 dargestellt.

Als Impulsmodulator dient beispielsweise die Schaltung nach F i g. 1, die in der F i g. 7 ebenfalls wiedergegeben ist Selbstverständlich ist auch die Verwenddung der Schaltungen nach den F i g. 3 bzw. 5 möglich. Gemäß F i g. 7 ist die Induktivität als Spule 20 ausgebildet, deren Eisenkern 21 im Spulenfeld verschieblich ist. Der Eisenkern 21 steht unter Federspannung und stützt sich auf einer Profilfläche 22 ab, die als Raumnocken ausgebildet ist. Der Raumnocken ist über einen Wirbelstrommitnehmer 23 mit der Kurbelwelle 24 eines Automotors 25 verbunden, wie es durch die strichpunktierte Linie am oberen Rand der F i g. 7 angedeutet ist. Je nach Drehzahl des Motors 25 wirkt über den Wirbelstrommitnehmer 23 eine mehr oder weniger starke Rotationskraft auf den Raumnocken 22, die ihn gegen das Rückstellmoment der Spiralfeder 24 zu verdrehen trachtet. Der Nocken erfährt somit ähnlich einer Tachometernadel einen der Motordrehzahl proportionalen Winkelausschlag, und auf Grund des Nockenprofils wird der Spulenkern 21 entsprechend verschoben. Da der Nocken 22 auch in Axialrichtung ein unterschiedliches Profil aufweist, kann die Stellung des Spulenkerns 21 innerhalb der Spule außerdem durch Verschiebung der Spulenanordnung 20. 21 parallel zur Nockenachse variiert werden. Die Spulenanordnung ist zu diesem Zweck mechanisch mit dem Gaspedal 26 gekoppelt, welches gleichermaßen die Stellung der Drosselklappe 27 im Luftansaugrohr 28 beeinflußt. Die Lage des Eisenkerns 21 relativ zur Spule 20 und somit die Induktivität der Spule 20 hängt somit sowohl von der Motordrehzahl als auch von der Gaspedalstellung ab.

Die Kurbelwelle 24 schließt bei bestimmten Winkelstellungen den Schalter 29 kurzzeitig, so daß das Flip-Flop 4 Auslöseimpulse erhält, deren Frequenz und Phase von der Kurbelwelle 24 somit gesteuert werden. Die Auslöseimpulse werden in bei· its beschriebener Weise in Rechteckimpulse verwandelt, deren Dauer der Indiktivität der Spule 20 entspricht. Nach Verstärkung im Leistungsverstärker 30 erregen die Rechteckimpulse die Schaltmagnetcn der Einspritzventile 31 a-d. so daß jeweils der im Ansaugtakt befindliche Zylinder aus der unter Druck stehenden Kraftstoffleitung 32 für die Dauer eines Impulses Kraftstoff erhält. Durch geeignete Gestaltung des Raumnockens 22 kann die Induktivität und somit die Impulsdauer so festgelegt werden, daß für jede Drehzahl und Gaspedalstellung die optimale Kraftstoffmenge eingespritzt wird Die Induktivität kann zusätzlich über Vormagnetisierungswicklungen noch von Korrektur werten, z. B. der Kühlwassertemperatur, wie eingangs erwähnt, beeinflußt werden.

Eine andere Möglichkeit, die Kraftstoffeinspritzung mittels der beschriebenen Impulsdauermodulation zu steuern, besteht darin, die Induktivität direkt in Abhängigkeit des Unterdrucks im Luftansaugrohr 28 zu beeinflussen und dem Ausgang des Integrators einen Korrekturwert zu überlagern, der aus der Motordrehzahl gebildet wird. Die Bildung des Korrekturwertes kann auf elektrische Weise durch Aussteuerung eines Funktionsgenerators geschehen. Eine diesbezügliche Anordnung ist schematisch in Fig. 8 dargestellt.

Die hierbei verwendete Modulationsschaltung entspricht im wesentlichen der Schaltung nach dei Fig. 1; ihre Ausgestaltung nach den Fig. 3 und ί ist jedoch ebenfalls möglich. Die Induktivität besteh' ähnlich der F i g. 7 aus einer Spule 20 mit verschieb lichem Eisenkern 21. Auch die Bildung der Auslöse impulse mittels des von der Kurbelwelle 24 angetriebe nen Schalters 29 und die Ansteuerung der Einspritz ventile 31 a-d durch die verstärkten Ausgangsimpulsi des Flip-Flops 4 erfolgt entsprechend. Der Spulen kern 21 wird jedoch von einer Unterdruckmeßdose 3! verschoben, die am Ausgangsrohr 28 angebracht isi

1 9Ö2618

Dem Ausgang des Verstärkers P wird in der Additionsschaltung 37 ein Korrekturwert überlagert, der von einem Funktionsgenerator 36 geliefert wird. Die Kennlinie des Funktionsgenerators 36, der ein Diodengenerator sein kann, ist so angelegt, daß sein Ausgangssignal eine bestimmte Funktion der Motordrehzahl 12 ist und das linear ansteigende Ausgangspotential des Verstärkers P derart anhebt oder senkt, daß die Auslösung des Triggers 2 und somit das Impulsende verfrüht oder verspätet erfolgt. Die Eingangsgröße für den Funktionsgenerator 36 wird mittels eines vom Schalter 29 angesteuerten monostabilen Multivibrators 34 erhalten, dessen Ausgangsimpulse somit einen der Drehzahl proportionalen Mittelwert besitzen.

Dieser Mittelwert wird in einem Siebglied 35 gebildet und dem Generator 36 zugeführt

Das Eingangssignal des Triggers 2 setzt sich somit zusammen aus einem linear ansteigenden Teil, dessen Steilheit der Induktivität der Spule 20 umgekehrt proportional ist und daher vom Druck im Luftansaugrohr abhängt, sowie aus einem Gleichspannungsanteil, der eine Funktion der Motordrehzahl ist. Beide Größen bestimmen den Auslösezeitpunkt des Triggers 2 und daher die Dauer der die" Einspritzventile ansteuernden Rechteckimpulse. Bei geeigneter Dimensionierung des Funktionsgeneralors 36 wird somit für jede Drehzahl die gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Pulsdauer-Modulatorschaltungsanordnung zur Erzeugung von Impulsen, deren Dauer einer Induktivität proportional ist, gekennzeichnet durch eine Serienschaltung (1) der Induktivität (L) mit dem Eingang eines ohmig rückgekoppelten Funktionsverstärkers (P), dessen Ausgangssignal beim Erreichen einer vorgegebenen to Amplitude über einen Schwellwertschalter (2) eine bistabile Kippstufe (4) zurückschaltet, deren Ausgang durch einen den Impulsbeginn markierenden Auslöseimpuls auf ein festes Potential (Ii,) einschaltbar ist und über die Induktivität (L) mit dem Eingang des Funktionsverstärkers (P) verbunden ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kompensationsschaltung zur Vermeidung der durch den Verlustfaktor der Induktivitat (Lj verursachleu Nichilincarätätcn des Vcrstärkerausgangssignals, bestehend aus einem von dem Eingangsstrom des Funktionsverstärkers angesteuerten Proportionalregler (R_K, 7), dessen Ausgangsspannung [Ue₂) dem von der Kippstufe (4) gelieferten festen Potential überlagert ist und dessen Verstärkungsfaktor so bemessen ist, daß seine Ausgangsspannung gleich ist dem ohmschen Spannungsabfall zwischen dem festen Potential und dem Eingang des Funktionsverstärkers (P).

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Proportionalregler aus einem in Reihe zur Induktivität (L) geschalteten Widerstand (R_K) besteht und einen Spannungsverstärker (7) enthält, dessen Eingang parallel zu dem Reihenwiderstand (R_K) hegt und dessen Verstärkungsfaktor so bemessen ist, daß reine Ausgangsspannung gleich ist mit der Summe der an der Induktivität und dem Reihen widerstand (R_h) auftretenden ohmschen Spannungsabfällen.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter (2) die bistabile Kippstufe dann zurückschaltet, wenn das Ausgangssignal des Funktionsverstärkers (P) auf einen vorgegebenen Betrag angestiegen ist und daß ein zweiter Schwellwertschalter (9) eine ebenfalls durch den Auslöseimpuls auf ein festes Potential umgeschaltete zweite bistabile Kippstufe (10) dann zurückschaltet, wenn das Ausgangssignal des Funktionsverstärkers (P) auf den Wert Null abgesunken ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L) durch eine Spule (20) gebildei wird und durch mechanische Beeinflussung, insbesondere durch Verschiebung eines im Feld der Spule befindlichen Eisenkerns (21) veränderbar ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität durch eine Spule gebildet wird und durch elektrische Vormagnetisierung eines im Feld der Spule befindlichen Eisenkerns veränderbar ist.

7. Steuereinrichtung unter Verwendung der Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche zur automatischen Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Induktivität durch die Stellung eines Gaspedals (26) und die Drehzahl (/i) des Motors (25) bestimmt ist, daß die Frequenz und die Phase der Auslöseimpulse von der Kurbelwelle (24) gesteuert ist und daß die durch die Induktivität dauermcdulierten Ausgangsimpulse einer der bistabilen Kippstufen (4) die Kraftstoffeinspritzung intermittierend steuern.

8. Steuereinrichtung nacfe Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Induktivität durch die räumliche Lage eines im Feld einer Spule (20) befindlichen Eisenkernes (21) bestimmt ist, der auf einer Profilfläche (22) gleitet, deren relative Lage zur Spule (20) in einer Koordinate durch den Ausschlag eines Drehzahlmessers (23, 24) und in der anderen Koordinate durch die Bewegung des Gaspedals (26) veränderlich ist.

9. Steuereinrichtung unter Verwendung der Anordnung nach Anspruch 5, zur automatischen Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern (21) der Spule (20) vom Ausschlag einer den Unterdruck im Ansaugrohr (28) feststellenden Meßdose (33) verschoben" wird, daß dem Ausgang des Funktionsverstärkers (P) das Ausgangssignal eines Funktionsgenerators (36) überlagert ist, der aus der Motordrehzahl (n) einen Korrektufwert bildet, und daß die Ausgangsimpulse einer der bistabilen Kippstufen (4) die Kraftstoffeinspritzung intermittierend steuern.