DE1964543B2 - Vorrichtung zur Steuerung der Erregung von Elektromagneten zur Betätigung von Einspritzdüsen in Brennstoffeinspritzvorrichtungen für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Vorrichtung zur Steuerung der Erregung von Elektromagneten zur Betätigung von Einspritzdüsen in Brennstoffeinspritzvorrichtungen für Brennkraftmaschinen

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DE1964543B2 DE1964543A DE1964543A DE1964543B2 DE 1964543 B2 DE1964543 B2 DE 1964543B2 DE 1964543 A DE1964543 A DE 1964543A DE 1964543 A DE1964543 A DE 1964543A DE 1964543 B2 DE1964543 B2 DE 1964543B2
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Description

4-, Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Erregung von Elektromagneten zur Betätigung von Einspritzdüsen in Brennstoffeinspritzvorrichtungen für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
•,ο Bei einer bekannten Steuervorrichtung für elektrische Einspritzdüsen (PR-PS 14 85 621) ist eine Schaltung vorgesehen, die erlaubt, die in den Spulen im Moment der Unterbrechung des Stromes vorhandene elektromagnetische Energie in einem Speicherkondcn-
Ti sator zu speichern und diese Energie im Moment der folgenden Einspritzung wieder zu verwenden, um eine schnelle öffnung der Einspritzdüse durch die Entladung dieses Kondensators zu erreichen, wobei die Aufrechterhaltung der Öffnung während der gewünschten Zeit
ho durch einen geringen von einer Spannungsquelle herrührenden Strom erreicht wird. Hierzu wurde ein Schwingkreis vorgesehen, der aus der Selbstinduktion der Spule der Einspritzdüse und einem Kondensator besteht, der parallel zu der zur Speisung dieser Spule
h-, dienenden Schaltung geschaltet ist. Mit Hilfe einer geeigneten Schaltung aus einer Diode und Thyristoren war es möglich, die elektromagnetische Energie der Einspritzdüsen zurückzugewinnen und in dem Speicher-
kondensator zu speichern, der auf diese Weise im Moment des plötzlichen Abschaltens des Haltestromes auf eine hohe Spannung der Größenordnung von 60-70 Volt aufgeladen wurde und diese Ladung nach einer Viertelschwingungsperiode des Schwingkreises in dem Kondensator zu halten und diesen Kondensator entsprechend der Einspritzfolge in die Spule der Einspritzdüse zu entladen. Auf diese Weise wurde die Einspritzdüse sehr schnell geöffnet, wobei die öffnung durch einen Haltestrom aufrechterhalten wurde, dessen Dauer in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen bzw. dem Betriebszustand des Motors geregelt wurde.
Man hat festgestellt, daß die Energiemenge, die auf diese Weise wiedergewonnen werden konnte, nur etwa 60 — 70% der in der Spule der Einspritzdüse vorhandenen elektromagnetischen Energie betrug. Auf Grund dessen war die Ansprechzeit der Einspritzdüsen bei Anwendung dieses Öffnungssignals noch relativ lang, vor aliem, wenn, wie im Fall von Dieselmotoren, die beweglichen Massen der Einspritzdüse relativ groß waren. Andererseits kam es auch vor, daß sich zu Beginn der öffnung eine Schwingung der Einspritzdüsennpdel mit einer völligen oder teilweisen Schließung der Einspritzdüse ergab, was die Einspritzbedingungen in ungünstiger Weise verfälschen konnte. Diese Schwingung beruhte darauf, daß zu Beginn der Öffnung die durch die Spule ausgeübte Öffnungskraft der Einspritzdüse nicht merklich höher als die mit dem Flüssigkeitsdruck verbundene Rückstellkraft der Einspritzdüsennadel war, die dazu neigte, die Einspritzdüse geschlossen zu halten.
Bei ei.ner anderen bekannten Vorrichtung zur Steuerung der Erregung eines Elektromagneten (FR-PS 14 98 265) wird diesem zu Beginn seiner Erregung ein Signal hoher Spannung und zur Aufrechterhaltung seiner Erregung eine konstante Spannung variabler Dauer zugeführt. Dabei ist in dem Schaltkreis zur Steuerung des Elektromagneten eine Selbstinduktionsspule vorgesehen, die mit derselben Frequenz wie der Elektromagnet mittels selektiver Steuermittel periodisch erregt wird und deren elektromagnetische Energie bei Unterbrechung ihrer Erregung indirekt einem nachfolgend zu erregenden Elektromagneten zugeführt wird.
Beim Unterbrechen des Stromflusses durch eine Haupt- und eine Zusatzinduktivitä! ist es bekannt, die dabei freiwerdende Energie zunächst zu speichern und später zum schnellen Stromanstieg in einem anderen aus Haupt- und Zusatzinduktivität bestehenden Stromkreis zu verwenden (US-PS 30 56 906). Schließlich ist es bei einer Vorrichtung zur Steuerung elektromagnetischer Einspritzdüsen bekannt (US-PS 29 34 050), den Elektromagneten zu Beginn ihrer Erregung ein Signal hoher Spannung und zur Aufrechterhaltung ihrer Erregung eine konstante Spannung variabler Dauer zuzuführen. Dabei ist in dem Schaltkreis zur Steuerung der Elektromagnete eine Selbstinduktionsspule vorgesehen, die mit derselben Frequenz wie die Elektromagnete mittels selektiver Steuermittel erregt wird. Die in dieser Spule induzierte Energie wird einem nachfolgend zu erregenden Elektromagneten zugeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei durch Elektromagnete betätigten Einspritzdüsen von Brennkraftmaschinen trotz großer Schließkraft der auf die Düsennadeln einwirkenden Rückstellfedern ein schnelles öffnen der Einsp, itzdüsen zu erreichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil ues Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
Bei der Vorrichtung nach der Erfindung steht aus dem
mit der Selbstinduktionsspule einen Schwingkreis bildenden Kondensator eine erhebliche Energie zum Öffnen der Einspritzdüsen zur Verfügung.· so daß ein
schnelles öffnen der Einspritzdüsen erreicht wird.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Einzelheiten für die Steuervorrichtung und die bei ihr vorgesehene Schaltung angegeben.
in Im folgenden wird die Erfindung an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine Steuervorrichtung gemäß der Erfindung,
F i g. 2 den Verlauf des Stromes durch die Spule einer
ι -, Einspritzdüse und
Fig.3 ein schematisches Diagramm, in dem die in einem Elektromagneten ausgeübten Kräfte als Funktion des Luftspaltes dargestellt sind.
Bei der Schaltung gemäß Fi g. 1 ist ein Steuertransistör 8a in Serie mit einer Zenerdiode 15' und den Spulen 4a, 4b, 4c, 4c/ und deren Steuerthyr· vjren 9a, 9b. 9c 9c/ geschaltet, wobei der Kollektor des Stei· :rtransistors 8a mit der Spannungsquelle verbunden ist, während die Kathoden der Thyristoren 9a, 9b, 9c, 9c/ mit Masse
j-, verbunden sind. Die Selbstinduktionsspule 10 ist einersc'ts mit dem Emitter des Steuertransistors 8a und andererseits über eine zweite Zenerdiode 15a' mit Masse verbunden. Der den Spulen 4a, 4b. 4c, 4d zugeordnete erste Speicherkondensator 12a ist einer-
so seits mit Masse und andererseits über eine Diode 16 mit dem Verbindungspunkt zwischen der Zenerdiode 15' und den Spulen 4a, 4b. 4c. 4d verbunden, während eine Verbindung zwischen dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Speicherkondensator 12a und der Diode 16
r> einerseits und dem Verbindungspunkt zwischen der Selbstinduktionsspule 10 und der Zenerdiode 15a' andererseits vorgesehen ist. Ein der Selbstinduktionsspule 10 zugeordneter zweiter Speicherkondensator 12a'ist parallel zu der Zenerdiode 15' geschaltet.
in Die Basis des Steuertransistors 8a ist mit einer an sich bekannten Steuervorrichtung verbunden, mit Hilfe derer dieser Steuertansistor 8a jedesmal leitend gemacht wird, wenn eine Einspritzung stattfinden soll. Ebenso sind die Steuerelektroden der Steuerlhyristoren
4-) 9a, 9b, 9c, 9c/ mit einer ebenfalls bekannten Steuervorrichtung verbunden, die sie gemäß der Reihenfolge der Erregung auslöst bzw. leitend macht.
Im folgenden ist die Funktion dieser Schaltung beschrieben. Es sei angenommen, daß die beiden
in Speicherkondensatoren 12a und 12a' am Ende der vorhergehenden Erregung mit der angezeigten Polarität aufgeladen wurden. Wenn jetzt der Steuertransistor 8.7 leitend gemacht wird, entlädt sich der erste Speic!n;rkondensator 12a über die Spannungsquelle,
V) den Steuertransistor 8a und die Selbstinduktionsspule 10, wobei sich in letzterer ein Haltestro'n über die Zenerdiode 15a'ausbildet, sobald der Kondensator 12a genügend entladen ist, um die Zenerdi9de 15a' nicht mehr so zu polarisieren, daß sie nicht leitend ist. Der
wi Steuertransistor Ha bleibt z. B. während einer konstanten Zeitdauer 7Ί leitend. Wenn man jetzt nach einer Zeit T2 einen der Steuerthyristoren 9a. 96, 9r. 9 J leitend macht, entlädt sich der zweite Speicherkondensator 12a' plötzlich über die entsprechende Spule 4a. 4b, 4coder4c/
hi eines der Elektroma^nete, die .Spannungsquelle und den Steuertransistor 8a. wobei sich der Haltestrom einstellt, sobald die Spannung des zweiten Speicherkondensators 12a'so weit gefallen ist, daß die Zenerdiode 15' nicht
mehr so polarisiert ist. daß sie nicht leitend ist. Die Spulen 4a. 4b. 4c. 4d werden also nach einer Zeit T2 ausgehend von der Sättigung des Steuertransistors 8a erregt, wobei die Zeit T2 von Null bis T2= 71 regelbar ist. so daß die Dauer der Erregung der Differenz 71 - T2 entspricht und zwischen Null für T2= 71 und 71 für Tj = NuII variiert.
Wenn am Ende der Zeit 71 der Steuertransistor 8s aufs neue nichtleitend gemacht wird, neigt der durch die Selbstinduktionsspule 10 und eine der Spulen 4a. 4b. 4c oder 4d der Einspritzdüse fließende Strom dazu, bestehen zu bleiben, wobei er während einer Viertelschwingungsperiodc einmal den zweiten Speicherkondensator 12a' und zum anderen den ersten Speicherkondensator 12a auflädt. Da die Zenerdioden 15', 15a' parallel zu den .Speicherkondensatoren 12a' bzw. 12a angeordnet sind, dienen sie dazu, die Ladespannung der Speicherkondensatoren 12a', 12a auf einen Wert zu begrenzen, der der Schwellspannung der Zenerdioden 15'. I5a'entspricht. Darüber hinaus stellen sie eine gute Sicherheit dar für den Fall, daß ein Speicherkondensator schadhaft wird oder ein Draht bricht, da die Spannungen, die sich dann entwickeln können, niemals die Schwellspannting der Zenerdioden 15'. ISa'übersteigen.
Die Zenerdioden 15' und 15a können durch normale Dioden ersetzt werden.
Die Zeitdauer der Ladung und der Entladung werden durch die folgenden Formeln ausgedrückt:
'Λ = -, /-in Ci:,.
dabei entsprechen T\ und Ti einer Viertelschwingungsperiode der durch die Spulen 4a. 4b. 4coder4fJund ihren Speicherkondensator 12a und die Selbstinduktionsspule 10 mit ihrem Kondensator 12a' gebildete Schwingkreise; L] ist der Wert der Selbstinduktion der Spulen der Elektromagnete C]21 ist die Kapazität ihres Speicherkondensators 12a. Lw ist der Wert der Selbstinduktion der Selbstinduktionsspule 10 und Q23. die Kapazität ihres Kondensators 12a'. Es ist zu bemerken, daß die Aufladung der Speicherkondensatoren 12a und 12a'genau eine Viertelschwingungsperiode dauert, da die Diode 16 jede Umkehrung des Stromflusses verhindert.
Im Gegensatz hierzu werden die Zeiten der Entladung durch die folgenden Formeln ausgedrückt:
Tf = Bruchteil von -r L1- Cl2a. Tf, = Bruchteil von η L10- C1,„
Da die Mitte! zur selektiven Steuerung eine Entladung des der Selbstinduktionsspule 10 zugeordneten Speicherkondensators 12a'in eine der Spulen 4a. 46. 4c oder 4rf und die Entladung des diesen Spulen zugeordneten Speicherkondensators 12a in die Selbsrinduktionsspule 10 erlauben und da die Halteströme sich einzustellen beginnen, sobald die Speicherkondensatoren 12a'und 12a genügend entladen sind, so werden die Zenerdioden 15' und 15a'nicht mehr so polarisiert, daß sie gesperrt sind. In Fig. 2 ist der Verlauf des die Solenoide der Einspritzdüsen durchfließenden Stromes als Funktion der Zeit dargestellt.
Durch eine geeignete Wahl der Werte der Selbstinduktionsspule 10 und der Speicherkondensatoren 12 und 12a' kann man alle verschiedenen Verhältnisse zwischen den Zeiten T\.l\ ,T·,. Tf, erreichen.
Dabei ist es besonders interessant, einen Uffnungsimpuls langer Dauer Ts zu haben, dessen potentielle Energie darüber hinaus konstant und unabhängig von der Dauer Γι — T2 ist. wenn man einmal eine konstante Dauer 71 für die Erregung der Selbsiinduktionsspule IO und zum anderen einen Speicherkondensator Q2.,. hat. der groß ist im Verhältnis zum Speicherkondensator Ci2j· Im Gegensatz hierzu ist es notwendig, einen kleinen Speicherkondensator Q21 zu wählen, um eine kurze Dauer 7j und damit eine möglichst schnelle Schließung der Einspritzdüsen zu erreichen.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. Schaltung ist es darüber hinaus möglich, Einspritzzeiten zu erreichen, die kürzer sind als 7? + 7j, da, selbst wenn der Kondensator 12a'noch nicht ganz über eine der Spulen 4a, 4b. 4c oder 4c/ entladen ist, die Blockierung des Transistors 8a sofort eine Spannung am Verbindungspunkt zwischen der Diode 16 und dem Kondensator 12a' erscheinen läßt, die von der Unterbrechung des Stromes in der Selbstinduktionsspule 10 herrührt, und sich der weiteren Entladung des Kondensators 12a entgegensetzt und ihn aufs neue auf sein ursprüngliches Niveau auflädt.
Der .Schaltkreis gemäß Fig. 1 ist nicht auf den Fall beschränkt, daß die Selbstinduklionsspule 10 immer während einer konstanten Zeitdauer 71 gespeist wird, wobei der Anfang der Erregung der Spulen 4a. 4b. 4c oder 4d am Ende einer Zeit T2 nach dem Beginn von T] geschieht. In der Tat liegt in diesem Falle das Ende der Erregung fest, während der Beginn der Erregung variieren ^ "\ Wenn man im Gegensatz hierzu wünscht, e iien feststehenden Beginn und ein variables Ende der Erregung zu haben, genügt es. den Steuertransistor 8a und den Steuerthyristor 9a. 9b. 9c oder 9d gleichzeitig auszulösen und den Steuerthyristor während einer variablen Zeitdauer entsprechend der gewünschten Dauer der Erregung leitend zu halten. Auf diese Weise erreicht man immer die Entladung des Kondensators 12a', der zur Ladung der Selbstinduktionsspule 10 zugeordnet ist. über eine der Spulen 4a. 4b. 4c oder 4c/und die Entladung des Kondensators 12a. der zur Ladung den Spulen 4a. 4b. 4c oder 4d der Einspritzdüsen zugeordnet ist. in die Selbstinduktionsspule 10. Andererseits ist die potentielle Energie in dem Kondensator 12a'nicht mehr konstant.
Durch die Schaltung bei der Vorrichtung nach der Erfindung steht eine beträchtliche Energie zur Steuerung der Öffnung der Einspritzdüse zur Verfugung, was die Erreichung extrem kurzer Ansprechzeiten erlaubt. Wenn man z. B. in Fig. 3, die die magnetischen Kräfte und die Rückstellkräfte des beweglichen Ankers eines Elektromagneten von der Art einer elektromagnetischen Einspritzdüse zeigt, einerseits die Gerade E betrachtet, die der Rückstellkraft F der Feder der Einspritzdüse als Funktion des Weges der Düsennadel entspricht, sieht man. daß die Steigung sehr gering ist. wobei Em„ der geschlossenen Einspritzdüse und mithin dem maximalen Luftspalt entspricht, während Emi„ der vollen Öffnung der Einspritzdüse und dem kleinsten Luftspalt entspricht Andererseits zeigt die Kurve A (Im)der magnetischen Anziehungskraft in Abhängigkeit von der Größe des Luftspaltes, daß bei geschlossener Einspritzdüse, d. h. bei maximalem Luftspalt Em„ die Wirkung der Anziehung bei dem Haltestrom Fm nicht
ausreichend ist, um die Nadel der Einspritzdüse zu heben, jedoch ausreicht, um die Einspritzdüse offenzuhalten, sobald der Luftspalt einmal sein Minimum erreicht hat und gleich £„,,„ ist. Mit der Entladung des Speicherkondensators 12a' erhält man nun einen Verlauf der Anziehungskraft entsprechend der Kurve A- der genügt, um eine schnelle öffnung der Einspritzdüse zu erreichen.
2 Blatt Z

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Steuerung der Erregung von Elektromagneten zur Betätigung von Einspritzdüsen in Brennstoffeinspritzvorrichtungen für Brennkraftmaschinen, wobei den Elektromagneten zu Beginn ihrer Erregung ein Signal hoher Spannung und zur Aufrechterhaltung ihrer Energie eine konstante Spannung veriabler Dauer zugeführt wird und in dem Schaltkreis zur Steuerung der Elektromagnete eine Selbstinduktionsspule vorgesehen ist, die mit derselben Frequenz wie die Elektromagnete mittels selektiver Steuermittel periodisch erregt wird und deren elektromagnetische Energie bei Unterbrechung ihrer Erregung einem nachfolgend zu erregenden Elektromagneten zugeführt wird, d a durch gekennzeichnet, daß den Spulen (4a, 4b, 4c, 4d) der Elektromagnete ein erster Kondensator (12?j und der Selbstinduktionsspule (10) ein zweiter Kondensator [YIa') zugeordnet ist, und in den durch die Spulen und die Kondensatoren gebildeten unabhängigen Schwingkreisen bei Unterbrechung des die Spulen durchfließenden Stromes am Ende des Einspritzvorgangs die elektromagnetische Energie der Spulen (4a, 46, 4c, 4d) der Elektromagnete in den ersten Kondensator {\2a) und der Selbstinduktionsspule (10) in den zweiten Kondensator (12s') eingespeichert wird und daß die selektiven Steuermittel (8a, 9a, 96,9c, 9cf, 15', 15a', 16) so auf die Schwingkreise einwirken, daß die Selbstinduktionsspule (10) von einem Haltestrom konstanter Dauer durchflossen wird und zur Schnellerregung der de.i Spulen (4a, 4b, 4c, 4d) der Elektromagnete zugeordnete .-rste Kondensator (\2a) sich über die Selbstinduktionsspule (10) und umgekehrt der der Selbstinduktionsspule zugeordnete zweite Kondensator (XIa') sich über eine nachfolgend zu erregende Spule der Elektromagnete entlädt.
2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Seibstinduktionsspulen (10) umfaßt, die mehreren zweiten Speicherkondertsatoren (\2ar) zugeordnet sind und Schwingkreise bilden, in denen die elektromagnetische Energie der Selbstinduktionsspulen bei Unterbrechung des Speisestromes konstanter Dauer in den zweiten Speicherkondensatoren (12a'^ gespeichert wird, die sich über die selektiven Steuermittel (8a, 9a, 9b, 9c, 9d, 15', 15a', 16) in eine der nachfolgend zu erregenden Spulen (4a, 4b, 4coder Ad)entladen.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Selbstinduktionsspule (10) und die Kapazität des ihr zugeordneten zweiten Speicherkondensators (\2a') größer sind als die Induktivität der einzelnen Spulen (4a, 4b, 4c, 4d) bzw. die Kapazität des ihnen zugeordneten ersten Speicherkondensators (12ajl
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die selektiven Steuermittel einen Sleuertransistor (Ba) umfassen, der durch eine an sich bekannte Steuervorrichtung während einer konstanten Zeit 7Ί leitend gehalten wird und einerseits mit der Spannungsquelle und andererseits mit den die Spulen (4a, 4b, 4c, 4d) der Elektromagnete bzw. die Selbstinduktionsspule bzw -spulen (10) aufweisenden Schaltungen verbunden ist. daß die selektiven Steuermittel ferner einen
Steuerthyristor (9a, 9b, 9c, 9d) für jede Spule (4a, 4b, 4c, 4d) umfassen, der in Reihe mit der entsprechenden Spule geschaltet ist und mittels einer an sich bekannten Steuervorrichtung in der Einspritzfolge und eine Zeit Tz nach dem Beginn der Zeit 71 ausgelöst wird, daß nur in eine Richtung leitende Halbleiterelemente (15', 15a', 16) vorgesehen sind, von denen mindestens eines eine Zenerdiode ist, die so angeordnet ist, daß bei Unterbrechung des Stromes am Ende der Zeit Ti durch den Steuertransistor (&a)d\e elektromagnetische Energie der in diesem Moment erregten Spule aus dieser Spule durch die Zenerdiode abgeleitet wird und daß die Energie der Selbstinduktionsspule (10) in ihren zugehörigen zweiten Speicherkondensator (\2a') geleitet wird, ohne sich vor dem folgenden Zyklus entladen zu können und daß der zweite Speicherkondensator (12a') sich dann am Ende der Zeit Ti in die jeweils nachfolgend zu erregende Spule (4a, 4b, 4c, 4c/J entlädt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertransistor (8a) in Reihe mit einem nur in eine Richtung leitenden Halbleiterelement (15') und den Spulen (4a, 4b, 4c, 4d) der Elektromagnete und den ihnen zugeordneten Steuerthyristoren (9a, 9b, 9c, 9d) die mit Masse verbunden sind, geschaltet ist, daß die Selbstinduktionsspule (10) mit einer Zenerdiode (15a',} in Reihe geschaltet und einerseits mit dem Steuertransistor (Sa) und andererseits mit Masse verbunden ist und mit dem zugehörigen zweiten Speicherkondensator (12a'), der parallel zu der Selbstinduktionsspule (10) und dem ersten nur in eine Richtung leitenden Halbleiterelement (15') geschaltet ist, einen Schwingkreis darstellt, wobei eine eine Diode (16) aufweisende Verbindung den Verbindungspunkt zwischen der Selbstinduktionsspule (10) und der Zenerdiode (\Sa') mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Halbleiterelement (15') und dem zweiten Speicherkondensator (12a ? verbindet.
DE1964543A 1968-12-27 1969-12-23 Vorrichtung zur Steuerung der Erregung von Elektromagneten zur Betätigung von Einspritzdüsen in Brennstoffeinspritzvorrichtungen für Brennkraftmaschinen Expired DE1964543C3 (de)

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