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Elektrisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage (Zusatz zu Patentrnmeldung
P 19 48 002.5) Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch gesteuerte Craststoffeinspritzanlage
für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem elektromagnetischen, an einem der
Wicklungsenden seiner Erregerwicklung mit Masse verbundenen/Einspritzven-til, das
den Kraftstoff unter konstantem Druck zugeftihrt erhält und in einer zu den Kurbelwellenumdrehungen
der Brennkraftmaschine synchronen Folge durch rechteckförmige Impulse geöffnet wird,
die in ihrer die jeweilige Einspritzmenge bestimmenden Dauer an wenigstens einen
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine angepaßt sind und von einer Transistorleistungsstufe
aus--einer Gleichstromquelle geliefert werden, die mit ihrem Minuspol an Masse liegt.
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Bei bekannten Einspritzanlagen ist in den zu den einzelnen Ansaugventilen
der vier- oder sechszylindrigen Brennkraftmaschine führenden Verzweigstutzen des
Ansaugrohres je ein elektromagnetisch betätigbares Einspritzventil derart angeordnct,
daß der beim Öffnen des Einspritzventils aus diesem austretende Kraftstoffstrahl
auf den Ventilteller des Sinlaßventils trifft. Die Einspritzventile sind zu zwei
abwechslungsweise betätigten Ventilgruppen zusammengefaßt, ftir die jeweils eine
Tr'InsistorleiEj tungsstufe vorgesehen ist. siegen
des in Kraftfahrzeugen
europäischer Bauart üblichen Anschlusses des Minuspols der Fahrzeugbatterie an Masse
können die Erregerwicklungen der Einspritzventile an einem Wicklungsende ebenfalls
rit Masse verbunden werden und benötigen dann nur jeweils eine einzige Stromzuleitung,
wenrl der zur Ti'ir.-sistorleistungsstufe gehörende Endtransistor vom pnp-Typ ist.
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Bei bekannten Einspritzanlagen ist als Endtransistor ein pnp-Germanium-Transistor
vorgesehen, welcher an seiner Basis durch einen npn-Silizium-Treiber-Transistor
für die Daucr der Öffn@ngsimpulse in stromleitenden Zustand gesteuert wird.
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Wegen der höheren Grenztemperatur und der höheren Sperrspannungen
ist es erwünscht, statt eines Germanium-End transistors einen Silizium-Endtransistor
verwenden zu können. Nach dem derzeitigen Stand der .t lbleitertechnologie können
aus Silizium bestehende npn-Leistungstransistoren wesentlich billiger und zuverlässiger
hergestellt erden als entsprechende teistungstransistoren vom pnp-Typ. Die Verwendung
derartiger Silizium-npn-Leistungstransistoren würde jedoch den Nachteil mit sich
bringen, daß bei der bisher angewendeten Schaltungstechnik eines der Wicklungsenden
der Erregerwieklung der T?insnritzventile mit dem Pluspol bzw. einer gemeinsamen
Plusleitung verbunden werden müßte und dann für jedes einzelne Einspritzventil zwei
Stromzuführungsleitungen erforderlich wären.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen,
in welcher ein npn-Leistungstransistor als Endstufentransistor verwendet erden kann,
ohne daß die Polarität der Einspritzventilanschlüsse geändert zu werden braucht.
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Diese Aufgbe läßt sich erfindungsgem:ß dadurch lösen, daß in der Leistungsstufe
ein Leistungstransistor vom npn-Typ vorgesehen ist, dessen Kollektor mit dem Pluspol
der Gleichstromquelle und dessen Emitter mit der Erregerwicklung des Magnetventils
verbunden ist, wobei die Emitter-Basis-Strecke des
Leistungstransistors
durch einen parallelliegenden Basisableitwiderstand geschützt ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn dem Leistungstransistor ein als
Treiber wirkender Verstärkungstransistor vom pnp-Typ vorgeschaltet ist, dessen Emitter
an die gemeinsame Plusleitung angeschlossen und dessen Kollektor - zweckmäßig über
einen Widerstand - mit der Basis und dem Basisableitwiderstand des Leistungstransistors
verbunden ist. Der Leistungstransistor und der Verstärkungstransistor sind vorzugsweise
aus Silizium hergestellt.
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Weitere Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung
sind nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher beschrieben und erläutert.
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Die 3enzineinspritzanlage nach Fig. 1 ist für eine Vier-Zylinder-viertakt-Yrennkrzftmaschine
10 bestimmt und umfaßt als wesentliche Bestandteile vier elektromagnetisch betätigbare
Einspritzventile 11 mit je einer zu einem Verteiler 12 führenden Be@zinleitung 13,
eine elektromotorisch angetriebene Kraftstoff-Förderpumpe 15, einen Druckregler
16 sowie eine im folgenden naher beschriebene Steuereinrichtung, die durch einen
mit der Kurbelwelle 17 der Brennkraftmaschine gekuppelten Uignalgeber 18 bei jener
Kurbelwellenumdrehung einmal ausgelöst wird und dann je einen rechteckförmigen elektrischen
Öffnungsinpuls 19 fur die Einspritzventile 11 liefert. Die in der Zeichnung angedeutete
zeitliche Dauer Ti der Öffnungsimpulse bestimmt die Öffnungsdauer der Einspritzventile
und demzufolge diejenige Kraftstoffmenge, welche während der jeweiligen Öffnungsdauer
aus dem Innenraum der unter einem praktisch konstanten Kraftstoffdruck von 2 atü
stehenden Einspritzventile 11 austritt.
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Zur Erzeugung der Öffnungsimpulse 19 ist in der Steuereinrichtung
ein monostabiler Steuermultivibrator 20 vorgesehen, der einen in Ruhezustand stromleitenden
Eingangstransistor 21 und einen an dessen Kollektor über einen Widerstand 2 mit
seiner Basis angeschlossenen, im Ruhezustand gesperrten Ausangstransistor 23 und
außerdem ein die jeweilige Impul.sdauer Ti bestimmendes Zeitglied enthält. Dieses
besteht bei dem lediglich als Ausführungsbeispiel zu wertenden Steuermultivibrator
20 aus einem Transformator, dessen Primärwicklung## 24. in Reihe mit einem Widerstand
25 zwischen dem Kollektor und der für die elektronische Steuereinrichtung gemeinsamen
j>lusleitung 26 liegt. Die Sekundärwicklung 27 ist induktiv mit der Primärwicklung
über ein verstellbares Kraftlinienleitstück 28 gekoppelt, das von einer an das Ansaugrohr
30 der Brennklaftmaschine angeschlossenen Druckdose 31 in Richtung des eingezeichneten
Pfeiles von dem nicht dargestellten Eisenkern des Transformators abgehoben wird,
wenn der absolute Luftdruck im Ansaugrohr 30, beispielsweise durch Schließen der
Drosselklappe 32, verringert wird. Bei steigendem Druck im Ansaugrohr 30 wird das'Kraftlihienleitstück
28 unter der Wirkung nicht dargestellter Pedern in der Gegenrichtung bewegt und
vergrößert dann die Induktivität des als eitglied wirkenden Transformators. Die
Sekundärwicklung 27 ist in der fUr Steuermultivibratoren dieser Art bekannten Weise
einerseits an den Verbindungspunkt P zweier Widerstände 33 und 34 angeschlossen,
die alls Spannungsteiler zwischen der mit Masse verbundenen Minusleitung 35 und
der Plusleitung 26 angeordnet sind.
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Mit ihrem anderen Wicklungsende ist die Sekundärwicklung 27 über eine
Diode 36 an die Basis des Eingangstransistors 21 angeschlossen, welcher ebenso wie
der Ausgangstransistor 23 zum npn-Typ gehört und daher mit seinem Emi-tter an die
Minusleitung 35 angeschlossen ist.
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Der eWm Auslösen des Steuermultivibrators 20 dienende Signalgeber
18 ist im Gehäuse eines nicht dargestellten, zur Hochspannungszündanlage
der
Brennkraftmaschine gehörenden Zündverteilers untergebracht und enthält im einzelnen
einen einhöckrigen Nocken 37, welcher auf der bei 38 angedeuteten Verteilerwelle
sitzt und mit zwei Kon-takt.hebeln 40 und 41 zusammenarbeitet. Die Kontakthebel
sind über je einen Widerstand 42 bzw. 43 an die Plusleitung 26 angeschlossen und
jeweils mit einer deT Elektroden eines von zwei Differenziorkondcnsatoren 44 bzw.
45 verbunden. Sie werden abwechs,lungsweise vom Schaltnocken 37 gegen einen der
feststehenden und mit der Masselei.tung 35-verbundenen Schaltkontakte 46 bzw. 4-7
gedrückt und in dieser Schließstellung während einer halben Umdrehung der Verteilerwelle
38 gehalten.
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Bei jedem Schließvorgang wird der Steuermultivibrator 20- in seinen
instabilen Kippzustand gebracht, dessen Dauer die Impulslänge T. ergibt und von
der jeweils vom Kraftlinienleitstück eingestellten Induktivität abhängt. Um im Auslösezeitpunkt-den
Eingangstransistor 21 sperren zu können, sind die Kondensatoren 44 und 45 über je
eine Diode 48 bzw. 49 mit der Basis des Eingangstransistors und außerdem über je
einen Ladewiderstand 50 bzw. 51 mit der Minusleitung 35 verbunden. Sòlange ihre
zugehörigen Kontakthebel 40, 41 sich in der Offenstellung befinden, können sich
die Differenzierkondensatoren 44, 45 jeweils aufladen und ihre Ladung in den Schließzeitpunkten
ihrer Kont-akthebel zur Sperrung des Eingangstransistors 21 abgeben. Sobald der
Eingangstransistor 21 in den Sperrzustand übergeht, wird der Ausgangstransistor
22 in seinen stromleitenden Zustand gebracht. Sein die Primärwicklung 24 durchfließender,
exponentiell ansteigender Kollektorstrom erzeugt in'der Sekundärwicklung 27 eine
Rückkopplungsspannung, welche den Eingangstransistor 21 üer den jeweiligen Schließzeitpunkt
hinaus noch solange gesperrt hält,. bis die RUck--kopplungsspannung unter einen
durch das Potential des Spannungsteilerabgriffs P festgelegten Wert absinkt, bei
welchem der. Eingangstransistor wieder in seinen ursprünglichen leitenden
Zustand
zurückkehren kann. Während des stromleitenden Zustandes des Ausgangstransistors
23 entstcht der bei 19 angedeutete Öffnungsimpuls für die Einspritzventile.
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Zur Stromversorgung dieser Ventile ist beim dargestellten Auzführungsbeispiel
eine Leistungsstufe 60 vorgesehen, welche über einen schematisch mit unterbrochenen
Linien angedeuteten Verstärker an den im Kollektorkreis des Ausgangstransistor 23
liegenden Widerstand 25 angeschlossen ist. Die Leistungsstufe 60 enthält erfindungsgemäß
einen an ihrem Eingang liegenden Silizium-Treiber-Transistor 64 vom pnp-Typ, der
mit seinem Emitter unlnittelbar an die gemeinsame Plusleitung 26 angeschlossen ist,
und außerdem einen Silizium-Leistungstran3istor 66 vom npn-Typ, der als Emitterfolger
betrieben wird. Er liegt nämlich mit seinem Kollektor unmittelbar an der Plusleitung
26 und ist an seinem Emitter mit den zu den einzelnen Erregerwicklungen 67 des Einspritzventile
11 führenden Vorwiderständen 68 verbunden. Für den teistungstransistor ist ein Basisableitwiderstand
69 vorgesehen, welcher die Basis des Leistungstransistors, welche an den Kollektor
des Treibertransistors 64 angeschlossen ist, unmittelbar mit dem Emitter des teistungstransistors
verbindet. Durch diese Schaltungsanordnung wird erreicht, daß beim Sperren des Treibertransistors
64 auch der teistungstransistor 66 vollständig gesperrt wird.
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Dieser Sperrvorgang des Leistungstransistors wird auch dann sicher
erreicht, enn die im Emitterkreis des teistungetransistors 66 liegenden Erregerwicklungen
eine beträchtliche Induktivität haben und dann als Folge dieser induktiven Last
das Potential am Emitter des Leistungstransistors 66 jeweils beim Ende eines Öffnungsimpulses
19 negativer wird als das Potential der Minusleitung 35.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 bis 5 wird der Leistungstransistor
66 ebenfalls in Kollektorschaltung betrieben,
jedoch sind die diesen
Ieistungstransistor umfassenden, in Pig. 2 bei 70 angedetlteten Leistungsstufen
gegenüber Fig. 1 abgewandelt und ergänzt.
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Es hat sich nämlich gezeigt, daß beim Abschalten des die Ventile geöffnet
haltenden Stromes am Ende der Impulsdauer Ti in den Erregerwicklungen erhebliche
induk-tive Spannungsspitzen entstehen können, die zur angelegten Spannung entgegengesetzt
gerichtet sind. Es besteht dann die Gefahr, daß durch diese Spannungsspitzen der
Leistungstransistor 66 von seinem Emitter her über den vorgesehenen Abschaltzeitpunkt
hinaus noch leitend gehalten wird, wodurch derAbschaltvorgang erheblich verzögert
und außerdem die am Leistungstransistor entstehende Verlustleistung erhöht werden
kann, Dies soll mit den im folgenden beschriebenen, in den Leistungsstufen nach
den Fig. 3 bis 5 angewendeten Maßnahmen vermieden werden.
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In der Leistungsstufe nach Fig. 3 ist der ebenfalls als Treiber dienende,
zum pnp-Typ gehörende Siliziumtransistor 64 mit seinem Emitter an die Plusleitung
26 angeschlossen. Im Gegensatz zu Fig. 1 liegt zwischen seinem Kollektor und dem
Verbindungspunkt der Basis mit dem Basisableitwiderstand 69 des Leistungstransistors
66 ein Vorwiderstand 72. Außerdem ist eine Freilauf-Diode 73 vorgesehen, die mit
ihrer Anode an die Masseleitung 35 und mit ihrer Kathode an den Kollektor des Transistors
64 angeschlossen ist. Während in der Anordnung nach Fig. 1 eine beim Abschalten
der Ventile auftretende Spannungsspitze an der gesperrten bzw. in den Sperrzustand
übergehenden Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 64 sich auswirken kann, trifft
dies für Fig. 3 (und die im folgenden beschriebenen Anordnungen nach Fig. 4 und
5) nicht zu. Eine solche induktive Spanoungsspitze entsteht hier nur an dem widerstand
72; hierzu muß der Basisableitwiderstand 69 klein genug sein.
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Um die Ansteuerung des ieistungstransistors 66 durch den Transistor
64 nicht zu beeinträchtigen, darf der Vorwiderstand 72 nicht zu hochohmig gewählt
werden; außerdem kann wegen des niederohmig zu bemessenden Basisableitwiderstandes
69 viel Steuerenergie verlorengehen.
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Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist in Fig. 4 anstelle eines
Basisableitwiderstandes die Emitter-Kollektorstrecke eines Schutztransistors 75
vom npn-Typ vorgesehen, der mit seinem Emitter an den Emitter des Beistungstransistors
66 unmittelbar angeschlossen ist. Die Basis des Schutztran@istors 75 ist über einen
Widerstand 76 mit der Masseleitung 35 verbunden.
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Außerdem ist die Emitter-Basisstrecke des Transistors 75 durch eine
Schutzdiode 77 überbrückt, die mit ihrer Anode an den Emitter des Leistungstransistors
66 angeschlossen ist. Wenn an den Erregerwicklungen der in den Fig. 3 bis 5 schematisch
angedeuteten Einspritzventile 11 eine Abschaltspannungsspitze auftritt, wird von
dieser der Transistor 75 in seinen teistungszustand durchgeschaltet. Der Transistor
75 überbrückt dann die Emitter-Basisstrecke des Seistungstransistors 66 niederohmig.
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Solange der Leistungstransistor 66 während der Öffnungsimpulse leitend
ist, wird der Schutztransistor 75 automatisch gesperrt gehalten; die Diode 77 verhindert
dabei das Auftreten einer zu hohen Basis-zmitter-Sperrspannung am transistor 75.
Der Basiswiderstand 76 kann hierzu ziemlich hochohmig gewählt werden, so daß er
zusammen mit der Diode 77 keinen ins Gewicht fallenden Parallelstrompfad zu den
Erregerwicklungen der Ventile 11 beim Abschalten ergibt, durch den die Abfallzeit
der Ventile verlängert werden könnte.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist in jeder der vier Strom%ufLihrungsleitungell
der Ventile 11 ein Widerstand G8 vorgesehen und außerdem ist der Kollektor des Belstungstransistors
66
unmittelbarxan die Plusleitung 26 angeschlossen. Statt dessen kann man bei der in
Fig. 3 bis 5 verwendeten Anordnung mit einem einzigen Widerstand 78 auskommen, wenn
man diesen in die Verbindungsleitung zwischen dem Kollektor des Beis-tungstransistors
66 und der Plusleitung 26 legt.
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Die allgemeinere Bedeutung der Freilaufdiode 73 wird aus dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 5 deutlich. Dort ist im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen
dem Beistungstransistor 66 ein Verstärkertransistor 80 aus Silizium v-orgeschaltet,
der wie der Leistungstransistor vom npn-Typ ist, aber in.Emit-terschaltung betrieben
wird- und mit seinem Kollektor über den Vorwiderstand 72 an die Basis des Leistungstransistors
und außerdem über einen Arbeitswid-erstand 8,1 an die Plusleitung angeschlossen
ist. Die Freilaufdiode 73 schützt hier die Emitter-Kollektorstrecke des Verstärkungstransistors
80 vor den Wirkungen der Abschaltspannungsspitzen, die in den Erregerwicklungen
67 der Ventile 11 auch dann auftreten können, wenn bei leitendem Leistungstransistor
66 die Stromversorgung der Anlage beispielsweise durch Öffnen des nicht dargestellten
Zündschalters der Brennkraftmaschine unterbrochen wird.