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Intermittierend arbeitende Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit Steuerung
durch die Ansaugluftmenge Die Erfindung betrifft eine elektrisch gesteuerte, intermittierend
arbeitende Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit wenigstens
einem elektromagnetisch betätigbaren Einspritzventil - vorzugsweise mmit mehreren
Einspritzventilen, von denen je eines einem der Zylinder zugcordnet ist - und mit
einem zur Magnetisierungswicklung des Ventils in Reihe liegenden Leistungstransistor
sowie mit einer diesem vorgeschaltet<n Transistorschalteinrichtung, die synchron
zu den Kurbelwellenumdrehungen der Brennkraftmaschine unter gleichzeitigem Öffnen
des Einspritzventils eingeschaltet und für eine die jeweilige Einspritzmenge bestimmende
Zeitdauer in diesem Zustand
während der Entladezeit eines elektrischen,
als Kapazität oder als Induktivität ausgebildeten Energiespeichers gehalten wird,
der vor jedem Entladevorgang in definierter Weise geladen wird.
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Ein wesentlicher Vorteil derartiger, elektrisch gesteuerter Einspritzanlagen
besteht darin, daß die beim Ansaughub zusammen mit der Ansaugluft in jeden einzelnen
Zylinder der Brennkraftmaschine gelangende Kraftstoffmenge sehr genau an die angesaugte
Luftmenge angepaßt werden kann und daß demzufolge bei guter Ausnutzung der Leistungsfähigkeit
der Brennkraftmaschine die Einstellung so getroffen werden kann, daß die Auspuffgase
ein Minimum an gesundheitsschädlichen Anteilen enthalten.
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Bei bekannten Einspritzanlagen wird die angesaugte Luftmenge nicht
direkt gemessen, sondern dadurch ermittelt, daß ein in Ansaugrichtung hinter der
Drosselklappe an das Ansaugrohr angeschlossener induktiver Druckfühlor den dort
herrschenden Ansaugluftdruck mißt, wobei die den jeweiligen Luftdruckwerten entsprechende
Induktivität einer zu diesem Druckwandler gehörenden Eisendrossel die Dauer des
instabilen Betriebs zustandes eines Steuermultivibrators bestimmt, der in einer
zu den Kurbelwellenumdreiiungen synchronen Folge ausgelöst wird.
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Wegen der in starken Maße geschwindigkeitsabhängigen Strömungewiderstände
sind bei den bekannten Einspritzanlagen verhältnismäßig aufwendige elektronische
Schalteinrichtungen erforderlich, welche zur drehzahlabhängigen Korrektur der vom
Saugrohrdruckfühler eingestellten, vor jedem Arbeitstakt einzuspritzenden Kraftstoffmengen
dienen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Einspritzsystem
der eingangs beschriebenen Art eine wesentliche Vereinfachung der elektrischen,
die Dauer der Öffnungsimpulse bestimmenden Steuereinrichtung zu erzielen. Dies läßt
sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß die Schalteinrichtung mit einem Luftmengenmesser
zusammenarbeitet, der eine in der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine angeordnete
Stauscheibe enthält, die entgegen einer Rückstellkraft durch den Ansaugluftstrom
verstellbar ist und daß elektrische, mit der Stauscheibe zusammenarbeitende Mittel
vorgesehen sind, mit denen der vom Ituftmengenmesser erfaßte zeitliche Mittelwert
der Ansaugluftmenge in eine zu der pro Hub entfallenden Luftmenge proportionale,
am Energiespeicher auftretende elektrische Größe ungewandelt wird.
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Im Bereich zwischen Leerlauf und Betrieb bei Höchstdrehzahl und voller
Last ändert sich die in die Brennkraftmaschine gelangende Ansaugluftmenge etwa im
Verhältnis 1 : 40. Da es scllwierig wäre, einen solch großen Änderungsbereich mit
hilfe eines elektrischen, proportional hierzu veränderbaren Energiespeichers zu
erfassen, bringt die erfindungsgemäße unmittelbare Umwandlung des dem zeitlichen
Mittelwert der erfaßten Ansaugluftnenge proportionalen Signals in eine zu der pro
Ansaughub entfallcnden Luf tnenge proportionale, elektrische, am Energiespeicher
auStretende Größe eine erhebliche Erhöhung der Genauigkeit mit sich. In weiterer
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die zur Umwandlung dienenden Nittel
einen synchron mit der Kurbelwellenumdrehung betätigbaren Ladeschalter umfassen,
der über einen festgelegten, vorzugsweise konstanten Drehwinkel der Kurbelwelle
hinweg den Energiespeicher mit einer Aufladequelle verbindet. Ein besonders einfacher
Aufbau ergibt sich, wenn in bekannter Weise als Energiespeicher ein Kondensator
verwendet wird. In diesem
Falle kann der Luftmengenmesser in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung mit einem verstellbaren Widerstand gekuppelt sein, der
eine beim Lade- oder Entladevorgang des Kondensators sich ändernde elektrische Größe
beeinflußt.
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Bei der praktischen Verwirklichung der Erfindung können zwei verschiedene
Wege beschritten werden. Der erste Weg besteht darin, daß die Aufladung des Kondensators
mit einem Strom erfolgt, der proportional zum zeitlichen Mittelwert der Luftmenge
ist und daß die Entladung mit konstantem Entladestrom erfolgt. Der zweite Weg besteht
darin, daß die Aufladung des Kondensators mit konstantem Strom und die Entladung
mit einem Entladestrom erfolgt, der proportional zum Reziprokwert des zeitlichen
Mittelwertes der Ansaugluftmenge ist. Dieser zweite Weg ist deswegen besonders vorteilhaft,
weil hier etwaige Änderungen der Stellung der Drosselklappe und demzufolge änderungen
des zeitlichen Mittelwerts der hnsaugluftmenge, die während des die Impulsdauer
beeinflussenden Entladevorgangs eintreten, sich unmittelbar auf die Entladezeit
auswirken.
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Um die Emission schädlicher Abgase möglichst gering halten zu können,
ist es erforderlich, daß vor allem im Leerlauf der Brennkraftmaschine die Ansaugluftmenge
möglichst genau erfaßt wird. fvlan bekommt einen hinreichend kleinen, über den ganzen
01eßbereich konstanten, relativen Meßfehler, wenn gemäß einem weiteren Vorschlag
der Erfindung der Luftmengenmesser derart gestaltet wird, iX im Verstellbereich
der Stauscheibe der Öffnungsquerschnitt sich in Strömungsrichtung exponentiell erweitert.
Eine besonders günstige Anordnung ergibt sich, wenn die Stauscheibe als eine schwenkbare
Klappe ausgebildet ist, deren Scharenkachse vorzugsweise vertikal verläuft. In diesem
Falle kann mit der Stauscheibe in einfacher Weise ein
Schleifer
gekoppelt werden, der auf dem veränderbaren Widerstand entlang gleitet.
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Aus dem exponentiellen Verlauf des öffnungsquerschnitts ergibt sich
die Notwendigkeit, daß sich der abgegriffene Widerstandswert exponentiell mit dem
Verstellweg des Schleifers ändert.
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Da die Herstellung eines exponentiellen Potentiometers erhebliche
Schwierigkeiten bereitet, ist gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung vorgesehen,
daß ein lineares Potentiometer verwendet wird, welches an mehreren, über die Schleifbahn
wenigstens annähernd gleichmäßig verteilten Stützstellen Abgriffe enthält, und daß
zu dem linearen Potentiometer die Reihenschaltung aus mehreren festen Einzelwiderständen
parallel liegt, welche eine von Abgriff zu Abgriff exponentiell ansteigende Teilspannung
ergeben, so daß sich insgesamt eine exponentielle Potentiometerkennlinie mit linearer
Interpolation zwischen den Stützstellen ergibt.
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Bei zahlreichen Konstruktionen von Brennkraftmaschinen sind zur Verbesserung
des Füllungsgrades die Ansaugwege so abgestimmt, daß sich schnelle Schwingungen
des Ansaugluftstromes ei.nstellen können. Um zu verhindern, daß die Stauscheibe
diese Schwingungen mitmacht und dann falsche Luftmengenwerte anzeigt, ist erfindungsgemäß
vorgesehen, daß die Stauscheibe mit einer Dämpfungseinrichtung gekuppelt ist. Besonders
zweckmäßig ist es, wenn ein mit der Stauscheibe verbundenes Dämpfungsglied vorgesehen
ist, das in eine Dämpfungsflüssigkeit, insbesondere in ein zähflüssiges Ol, eintaucht.
Vorteilhaft kann das Dämpfungsglied aus einem mit der Welle der schwenkbar ausgebildeten
Stauscheibe gekuppelten Dämpfungsflügel bestehen, der in einem sektorfözwigen Gehäuse
- vorzugsweise mit kleinem Abstand gegenüber den Gehäusewänden - schwenkbar geführt
ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Dämpfungseinrichtung
eine richtungsabhängige Dämpfungskraft aufweisen, insbesondere eine solche, die
bei der Rückstellbewegung der Stauscheibe stärker wirksam ist als bei der Öffnungsbewegung
der Stauscheibe. Diese Richtungsabhängigkeit kann man vorteilhaft mit einem am Dämpfungsflügel
angeordneten, federbelasteten Ventil erreichen oder dadurch, daß das Dämpfungsglied
mindestens auf einem Teil seiner in eine Dämpfungsflüssigkeit eintauchenden Oberfläche
sägeznhnförmig ausgebildet ist.
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In Verbindung mit einer die jeweilige Einspritzmenge bestimmenden
Stauscheibe ergibt sich eine besonders günstige Anordnung, wenn die Drosselklappe
in unmittelbarer Nähe der Stauscheibe in einer für beide gemeinsamen Gehäusewand
gelagert ist. In Verbindung mit einer Stauscheibe kann man den Leerlauf der Brennkraftmaschine
- insbesondere beim Kaltstart - in sehr einfacher Weise beeinflussen, wenn in Ausgestaltung
der Erfindung die den insaugluftstrom begrenzende Drosselklappe der Brennkraftmaschine
mit einem ihre Leerlauföffnung bestimmenden Anschlag zusammenarbeitet, der in Abhängigkeit
von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine selbsttätig, insbesondere mit
einer Bimetallfeder, verstellbar ist. Vorteilhaft kann der Anschlag als drehbare
Scheibe ausgebildet sein, deren Umfangsfläche mit zunehmendem Drehwinkel größer
werdende radikale Abstände aufweist.
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In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine elektrisch
gesteuerte, intermittierend arbeitende Kraftstoffeinspritzeinrichtung dargestellt.
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Es zeigen: Fig. l die Einspritzeinrichtung in einem Ubersichtsbild
und in teilweise schematischer Darstellung, Fig. 2 ein Prinzipschaltbild ihrer elektronischen
Steuereinrichtung, und Fig. 3 ein Zeitdiagramm für die in der Anlage nach Fig. 1
und 2 abspielenden Vorgänge.
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Fig. 4 zeigt zum Prinzipschaltbild nach Fig. 3 eine unmittelbar realisierte
Ausführungsform, Fig. 5 mehrere Zeitdiagramme für den Lade- und Entladevorgang in
diesem Steuergerät, Fig. 6 eine andere Ausführungsform mit Spannmgssteuerung, Fig.
7 zeigen Ausführungsbcispiele für einen Luftmengen-und 8 messer, Fig. 9 ein exponentielles
Potentiometer und Fig. 10 dessen Widerstanasverlauf.
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Fig. 11 zeigt eine zu einer Baueinheit zusammengefaßte Neß- und Dosiervorrichtung
mit einer Drosselklappe und mit einer Stauklappe im Längsschnitt, Fig. 12 in der
Draufsicht und Fig. 13 im Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 12.
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Fig. 14 zeigt einen abgewandelten Luftmegenmesser in Querschnitt.
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Die dargestellte Benzineinspritzeinrichtung ist zum Betrieb einer
Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine 10 bestimmt und umfaßt als wesentliche
Bestandteile vier elektromagnetisch betätigbare Einspritzventile 11, denen aus einem
Verteiler 12 über je eine Rohrleitung 13 der einzuspritzende Kraftstoff zugeführt
wird, eine elektromotorisch angetriebene Kraftstofförderpumpe 15, einen Druckregler
16, der den Kraftstoffdruck auf einen konstanten Wert regelt, sowie eine im folgenden
näher beschriebene elektronische Steuereinrichtung, die durch einen mit der Nockenwelle
17 der Brennkraftmaschine gekuppelten Signalgeber 18 bei jeder Nockenwellenumdrehung
zweimal ausgelöst wird und dann äe einen rechteckförmigen, elektrischen Öffnungsimpuls
S für 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 1]. austritt. Die Magnetwicklungen 19 der Einspritzventile
sind zu je einem Entkopplungswiderstand 20 in Reihe geschaltet und an eine gemeinsame
Verstärkur£gs- und Leistungsstufe 21 angeschlossen, die wenigstens einen bei 22
angedeuteten Leistungstransistor enthält, welcher mit seiner Xmitter-Kollektor-Strecke
in Reihe mit den Entkopplungswiderständen 20 und den einseitig an Masse angeschlossenen
Nagnetwicklungen 19 angeordnet ist.
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Bei gemischverdichtenden, mit Fremdzündung arbeitenden Brennkraftmaschinen
der dargestellten Art wird durch die bei einem einzelnen Ansaughub in einen Zylinder
gelangende Ansaugluftmenge diejenige Kraftstoffmenge festgelegt, die während des
nachfolgenden Arbeitstaktes vollständig verbrannt werden kann.
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Für eine gute Ausnutzung der Brennkraftmaschine ist es außerdem notwendig,
daß nach dem Arbeitstakt kein wesentlicher Luftüberschuß vorhanden ist. Um das gewünschte
stöchiometrische Verhältnis zwischen Ansaugluft und Kraftstoff zu erzielen, ist
im Ansaugrohr 25 der Brennkraftmaschine in Strömungsrichtung hinter deren Filter
26, jedoch vor ihrer mit einem Gaspedal 27 verstellbaren Drosselklappe 28 ein Luftmengenmesser
ItI vorgesehen, der im wesentlichen aus einer Stauscheibe 30 und einem veränderbaren
Widerstand R besteht, dessen verstellbarer Abgriff 31 mit der Stauscheibe gekuppelt
ist. Der Luftmengenmesser LM arbeitet mit einer Dransistorschalteinrichtung TS zusammen,
welche an ihrem Ausgang die Steuerimpulse S für die BeistungsstuSe 21 liefert.
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Die Transistorschalteinrichtung enthält nach ihrem in Fig. 2 dargestellten
Prinzipschaltbild zwei zueinander jeweils in entgegengesetztem Betriebszustand befindliche
und hierzu kreuzweise miteinander rückgekoppelte Transistoren, nämlich einen Eingangs
transis tor T1 und einen Ausgangstransistor T2 sowie einen Energiespeicher, welcher
in den Ausführungsbeispielen als Kondensator C ausgebildet ist, jedoch statt dessen
in einer abgewandelten Schaltung auch als Induktivität realisiert sein könnte. Die
Dauer des jeweiligen Entladevorgangs ergibt die Öffnungsdauer T. der Einspritzventile.
Hierzu muß der Speicherkondensator C vor jedem Entladevorgang jeweils in definierter
Weise geladen werden.
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Damit die Entladedauer bereits anmittelbar die notwendige Information
über die auf den einzelnen Ansaughub entfallende Luftmenge enthält, erfolgt die
Aufladung durch einen im dargestellten Ausführungsbeispiel in Form des Signalgebers
18 wiedergegebenen Ladeschalter, der synchron mit den gurb-elwellenumdrehungen betätigt
wird und bewirkt, daß der Kondensator C während der sich über einen festgelegten,
konstanten Drehwinkel der Kurbelwelle hinweg erstreckenden LadeimpulstLI mit einer
Aufladequelle verbunden ist, welche während dieser Ladeimpulse jeweils einen Ladestrom
JA liefert. Im Diagramm nach Fig. 3 ist angenommen, daß der Signalgeber 18, welcher
bei der praktischen Verwirklichung aus einem bistabilen, von den nicht dargestellten
Zündimpulsen jeweils in seine entgegengesetzte Betriebslage gelangenden Multivibrator
bestehen kann, über einen Kurbelwellendrehwinkel von 180° geschlossen und anschließend
über den gleichen Drehwinkel hinweg geöffnet ist.
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In Fig. 3 sind die einzelnen Ansaugtakte der Brennkraftmaschine durch
eine Schraffur hervorgehoben. Außerdem ist angenommen, daß jeweils während des Ansaugtaktes
in dem durch Z2 angedeuteten zweiten Zylinder und dem vierten Zylinder Z4 ein Aufladevorgang
stattfindet. Unter der Voraussetzung, daß der Ladestrom JA während des Aufladevorgangs
konstantgehalten wird, steigt die durch zunehmende Ladung entstehende Spannung Uc
am Kondensator C mit zunehmender Zeit linear an, wie dies in Fig. 3 erkennbar ist.
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Die Anordnung nach Fig. 2 ermöglicht es, in unmittelbarem Anschluß
an den Ladevorgang, der jeweils bei 00, 360°, 7200 usf.
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beendet ist, mit einem von den Ladeimpulsen LJ abgeleiteten Auslöseimpuls
den Entladevorgang einzuleiten, indem der seither stromleitende Ausgangstransistor
T2 gesperrt wird. Gleichzeitig gelangt der seither gesperrte Eingangstransistor
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in seinen stromleitenden Zustand, da infolge der Sperrung des
Ausgangstransistors T2 nunmehr ein ausreichender Basisstrom über den Kollektorwiderstand
35 und den Koppelwiderstand 36 zur Basis-Emitter-Strecke des Eingangs trans is tors
gelangen kann. Die während des Ladevorgangs gespeicherte Ladung kann dann über die
in dieser Richtung stromleitende Diode 37 und die Kollektor-Emitter-Strecke des
Eingangstransistors T1 fließen, wobei der sich einstellende Entladestrom JE durch
eine in Fig. 2 bei E angedeutete Einrichtung konstant gehalten wird. Während des
Entladevorgangs fällt daher die Spannung UC am Kondensator o linear ab. Nach der
die öffnungsdauer der Ventile bestimmenden Entladezeit Ti sinkt das Potential an
der über eine zweite Diode 38 mit der Basis des Ausgangstransistors T2 verbundenen
Elektrode des Kondensators soweit ab, daß der Ausgangstransistor T2 erneut stromleitend
werden kann und dabei den Eingangstransistor Ti wieder sperrt. Da die Diode 37 verhindert,
daß bei gesperrtem iingangstransistor Ti über dessen Kollektorwiderstand 39 dem
Kondensator Ladestrom zufließen kann, erfolgt der nächste Ladevorgang erst damm,
wenn mit Beginn des nächsten Ladeimpulses LJ bei einen Kurbelwellendrehwinkel) von
180 bzw. 5400 die Aufladequelle A erneut eingeschaltet wird.
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Von den verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten, welche für die in
Fig. 2 in ihren Prinzipschaltbild wiedergegebene Schalteinrichtung bestehen, ist
in Fig. 4 eine besonders einfache dargestellt, welche für zwei verschiedene Betriebsweisen
verwendet werden kann, von denen die erste darin besteht, daß die Auf ladung des
Kondensators C mit einem Ladestrom JA erfolgt, der proportional zum zeitlichen Mittelwert
der Luftmenge QL ist, wohingegen die Entladung mit konstantem Entladestrom JE erfolgt.
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Für diese erste Variante ist zur Erzielung eines konstanten und von
den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine unabhängigen Entladestromes JE ein
dauernd stromleitender Transistor T4 vom pnp-Typ vorgesehen, der mit seinem Emitter
über einen Festwiderstand R2 mit der Plus leitung 40 verbunden ist und zum Betrieb
als Emitter-Folger mit seiner Basis an einen festeingestellten, aus einem Widerstand
41 und einem Widerstand 42 bestehenden Spannungsteiler angeschlossen ist. Der Kollektor
des Entladetransistors T4 ist mit der Zuleitungselektrode der Diode 38 und mit der
an diese angeschlossenen Elektrode des Kondensators C verbunden.
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Die in Fig. 2 angedeutete Ladestromquelle A ist in der Schaltung nach
Fig. 4 durch einen Ladetransistor T3 realisiert, der mit seiner Basis an den Abgriff
zweier Kollektorwiderstände 41 und 42 angeschlossen ist. Diese beiden Widerstände
liegen im Kollektorkreis eines Schalttransistors T5, welcher nur während der vom
Signalgeber 18 gelieferten Ladeimpulse LJ stromleitend ist und dann den Ladetransistor
T3 ebenfalls streinleitend macht, jedoch während der zwisclien zwei Ladestromimpulsen
liegenden Pausen den Ladetransistor gesperrt hält. Damit der vom Ladetransistor
gelieferte Ladestrom proportional zur hnsaugluftmenge l verändert werden kann, ist
in seiner Emitterzuleitung ein veränderbarer Widerstand R1 vorgesehen, welcher als
der von der Stauscheibe veränderbare Widerstand R nach Fig. 1 realisiert ist. Die
notwendige Proportionalität zwischen dem Ladestrom JA und der Luftmenge QL kann
beispielsweise durch mechanische Bearbeitung erfolgen, wenn der Widerstand als Dunn-
oder Dickschichtwiderstand auf einer keramischen Unterlage hergestellt wird.
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In Fig. 5 ist mit dem Kurvenzug b der zeitliche Verlauf der am Kondensator
C entstehenden Spannung UC wiedergegeben. Während der Ladezeit TL, welche zum Reziprokwert
der Drehzahl n der Brennkraftmaschine proportional ist, erreicht die Spannung am
Kondensator einen Spitzenwert û, für welchen gilt: JA . TL QL (1) # = = k . = k'.
qL C n Der Spitzenwert u entspricht somit der auf den einzelnen Ansaugtakt bzw.
auf den einzelnen Zylinder entfallenden Luftmenge qL = n.
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Für die Entladung gilt: (2) u = C Daraus ergibt sich folgende Beziehung
zwischen der Dauer T.
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der Öffnungsimpulse und der auf den einzelnen Zylinder entfallenden
Luftmenge qL: JA QL (3) Ti = . TL = k'' . = k'' . qL JE n Hieraus ersieht man, daß
etwaige Anderungen der Größe des Kondensators C die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung
nicht beeinflussen können.
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Die in Fig. 4 wiedergegebene Schaltung kann jedoch auch in einer zweiten
Variante betrieben werden, welche darin besteht, daß die Aufladung des Kondensators
G mit einem Ladestrom JA erfolgt, der auf einen von den Betriebsbedingungen der
Brennkraftmaschine unabhängigen, konstanten Wert eingestellt ist, wohingegen die
Entladung mit einem Entladestrom JE erfolgt, der proportional zum Reziprokwert des
zeitlichen Mittelwertes
der Ansaugluftmenge QL ist. Zur Veränderung
des Entladestromes JE wird anstelle des in Fig. 4 mit R2 bezeichneten Festwiderstands
der von der Stauscheibe 30 mittels des Abgriffs veränderbare Widerstand R in die
Emitterzuleitung zum Entladetransistor T4 eingeschaltet. Es ergibt sich dann der
in Fig. 5e wiedergegebene zeitliche Verlauf der Spannung am Kondensator C, für den
folgende Beziehungen gelten: Bei Aufladung: (4) u = JA # TL = k1 # 1/n C Bei Entladung:
JE . Ti Ti 1 (5) u = = k2 ., wobei JE # C C . Q# Aus den Gleichungen (4) und (5)
ergibt sich die Impulsdauer Ti; JA QL (6) Ti = . TL = k3 . # = k4 . qL JE n Diese
zweite Variante bringt aufgrund des sich proportional zum Reziprokwert der Ansaugluftmenge
ändernden Entladestromes JE den Vorteil mit sich, daß auch noch etwaige, während
des Entladevorgangs eintretende änderungen der Ansaugluftmenge (z. B. infolge raschen
Öffnens der Drosselklappe) sich unmittelbar auf diesen Entladevorgang auswirken
können, also daß sich sogar während des schon laufenden Entladevorgangs noch eintretende
Änderungen auf die Entladezeit Ti und damit auf den Einspritzvorgang auswirken.
Auf diese Weise wird eine praktisch ohne Verzögerung erfolgende Anpassung der Einspritzmenge
erzielt.
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Während die seither beschriebenen beiden Varianten mit Widerstandssteuerung
arbeiten, erfolgt die Steuerung bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 mit Hilfe
einer Spannung ux, wobei der mit der Stauscheibe gekuppelte Widerstand R als Potentiometer
betrieben wird.
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In Fig. 6 sind funktionell übereinsteimmende Bauteile mit den gleichen
Bezugszeichen wie in Fig. 4 versehen. Der Emitter des Ladewiderstandes T3 ist über
einen Festwiderstand 44 und der Emitter des ebenfalls zum pnp-Typ gehörenden Entladetransistors
T4 ist über einen Festwiderstand 45 mit der Plusleitung 40 verbunden. Beide Transistoren
arbeiten als Emitterfolger und können ebenso wie im Ausführungsbeispiel nach Fig.
2 in zwei verschiedenen Varianten betrieben werden. In der ersten Variante ist der
Entladetransistor T4 ZUt Erzeugung eines konstanten Entladestrones Jb mit seiner
Basis an den Abgriff eines Potentiometers P2 angeschlossen, welches zwischen der
Plusleitung 40 und der Minusleitung 50 angeordnet ist. Dieses Potentiometer liefert
eine konstantbleibende Basisvorspannung U2 für den Entladetransistor und bewirkt,
daß dieser einen konstantbleibenden Entladestrom JE li.efern kann. Der Ladetrar.sistor
T3 hingegen soll bei der ersten Variante einen Ladestrom JA liefern, welcher proportional
zu dem von der Stauscheibe ermittelten zeitlichen Mittelwert der Ansaugluftmenge
ist. Hierzu wird an der Basis des Ladetransistors eine Spannung U1 zur Wirkung gebracht,
die mittels des von der Stauscheibe veränderbaren Widerstandes R steuerbar ist.
Dieser Widerstand wird unmittelbar als ein im Kollektorkreis des Schalttransistors
T5 liegendes Potentiometer P1 verwendet, wobei der Abgriff 31 des veränderbaren
Widerstandes unmittelbar mit der Basis des Ladetransistors T3 verbunden ist. Die
Wirkungsweise dieser ersten Variante entspricht derjenigen nach Fig. 5b und bringt
gegenüber der
Schalteinrichtung nach Fig. 4 den Vorteil mit sich,
daß ein linear mit der Luftmenge zunehmender Verlauf der Steuerspannung u1 leichter
realisiert werden kann. Vorschläge zur zweckmäßigen Realisierung des Spannungsverlaufs
sind weiter unten noch näher erläutert. Im einzelnen erfolgt während der Ladeimpulse
LJ die Aufladung des Kondensators C mit enem zur Luftmenge QL proportionalen Ladestrom
JA bis zu einem *) stanten Entladestrom JE wodurch sich die oben anhand der Gleichungen
(1) bis (3) erläuterte Linearität zwischen der Öffnungsdauer T. und der durch Division
des zeitlichen Mittelwertes Qil mit der Drehzahl n entstehenden Luftmenge Q, ergibt,
die auf den einzelnen Ansaughub entfällt, In der zweiten Variante soll mit konstantem
Ladestrom JA aufgeladen und im Gegensatz hierzu der Entladestrom JE an die jeweilige
Ansaugluftmenge angepaßt werden. IIierzu kann nach Fig. 6 der mit der Stauscheibe
30 gekuppelte Widerstand R anstclle des Potentiorneters P2 in den Basiskreis des
lintladetransistors T4 eingeschaltet und an seinem Abgriff 31 mit der Basis dieses
Transistors verbunden werden. sobald der Ladestrom JA auf den gewünschten Wert eingestellt
ist, bleibt dann das Potentiometer P1 unverändert.
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Die Arbeitsweise der zweiten Variante macht es notwendig, daß die
Steuerspannung U2 an der Basis des Entladetransistors T4 sich proportional zum Reziprokwert
des von der Stauscheibe ermittelten zeitlichen Mittelwertes der Ansaugluftmenge
ändert. Ebenso wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 bringt diese zweite Variante
den großen Vorteil mit sich, daß bis zum Ende eines laufenden Impulses noch auftretende
Luftmengeänderungen sich in der Einspritzmenge unmittelbar auswirken können.
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*) Maximalwert u und vom Ende jedes Ladeimpulses ab mit einem kon-
In
den Fig. 1, 7 und 8 sind besonders günstige Ausführungsformen für den Verlauf des
Ansaugrohres 25 im Bereich der Stauscheibe 30 dargestellt. Der im Verstellbereich
der Stauscheibe liegende Teil 55 des Ansaugrohres hat eine solche Kontur, daß die
zwischen der Stauscheibe 30 und der Luftführungswand sich mit zunehmendem Verstellweg
4 der Stauscheibe sich öffnende, freie Blendenfläche AB, welche in den Fig. 7a und
8a durch eine Schraffur verdeutlicht ist, exponentiell zum Verstellweg nach der
Gleichung zunimmt: AB = k- e as, worin k und a Konstanten sind.
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Für einen mit einer Stauscheibe arbeitenden Luftmengenmesser der dargestellten
Art gilt mit ausreichender Genauigkeit die physikalische Gesetzmäßigkeit:
worin AB die frei Blendenfläche, QL die pro Zeiteinheit angesaugte Luftmenge, b
eine Konstante und F die Federkraft bezeichnet, welche durch die e in den Ausführungsbeispielen
nach Fig. 7 und 8 in Form einer Spirale ausgeführte Rückstellfeder 56 aufgebracht
wird. Diese Federkraft kann im Verstellbereich als naliezu konstant angesehen werden,
so daß der angezeigte, zeitliche Mittelwert der Luftmenge QL = k eas ist.
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Der exponentielle Verlauf der luftführungswj'nd bringt den großen
Vorteil mit sich, daß innerhalb des gesamten Verstellbereiches der relative Anzeigefehler
#QL/QL konstant bleibt, wenn man unterstellt, daß ein durch mechanische Ursachen
bedingter Einstellfehler ## bzw. bs nicht ausgeschaltet werden kann. Hohe Genauigkeit
ist aber gerade im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine, also bei kleinen Luftmengen,
zur Vermeidung von schädlichen Abgasemissionen besonders wichtig.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist die Stauscheibe 30 an einem
verhältnismäBig langen Führungshebel' im radialen Abstand r vom Drehpunkt 57 geführt,
so daß sich ein Verstellweg s = rcp ergibt. In diesem Falle ist die kreisförmige
Stauscheibe 30 wenigstens annähernd zentral in dem Ansaugrohr 25 und der Luftführungswand
55 angeordnet, welche rotationssymmetrisch zu der mit M angedeuteten Mittelachse
ist.
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Beim Aus fükirungsbeispiel nach Fig. 8 hingegen hat das Ansaugrohr
rechteckförmigen Querschnitt, wobei die Stauscheibe 30 als etwa quadratische Klappe
ausgebildet ist, die ihre Scharenkachse ebenso wie beim Ausfiihrungsbeispiel nach
Fig. 1 in der im Betrieb waagrecht verlaufenden unteren Begrenzungswand des Ansaugrohres
hrt.
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Wie bei dem mit Spannungssteuerung während des Aufladevorgangs arbeitenden
Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 dargelegt worde, soll die an der Basis des Ladetransistors
T3 wirksame Steuerspannung U1 zu der jeweils gemessenen Luftmenge proportional sein.
Bei der obengeschilderten, bevorzugten husbildung der liuftführungswand mit exponentieller
Kontur ist es daher notwendig, daß die Spannung U1 mit dem Drehwinkel # ebenfalls
exponentiell zunimmt. Da es jedoch schwierig ist, ein Potentiometer mit vorgegebenen
exponentiellen Verlauf in der liassenfertigung mit genügender Genauigkeit herzustellen,
kann man nach dem in Fig. 9 dargestellten Vorschlag ein lineares Potentiometer 60
verwenden, das leicht in Dickschichttechnik auf einer Keramikunterlage hergestellt
werden kann. Dieses lineare Potentiometer hat zwischen seinem Anfang 61 und seinem
Ende 62 über die Schleifbahn mehrere wenigstens annahernd gleichmäßig verteile Abgriffe.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 sind dies die drei Abgriffe 63,
64 und 65. Zu dem linearen Potentiometer 60 ist die Reihenschaltung
aus
vier festen Einzelwiderständen 66, 67, 68 und 69 parallelgeschaltet. . Das Verhältnis
dieser Widerstände ist so gewahlt, daß sie vom Anfang 61 des Potentiometers zu den
einzelnen Abgriffe fortschreitend exponentiell ansteigende Teilspannungen ergeben;
ihre absolute Größe ist so gewählt, daß jeder Teilwiderstand klein gegen den Widerstandswert
des zu ihm parallelen Potentiometerabschnittes ist. Hiermit sind diese Potentiale
an den Abgriffe 63, 64-, 65 praktisch allein von den Widerständen GG, 67, 68, 69
bestimmt. In Fig. 10 ist über den Drehwinkel cp der Verlauf der Teilspsnnung U1
wiedergegeben, aus dem man sieht, daß bereits mit nur drei Stützpunkten erreicht
werden kann, daß der durch den Linienzug wiedergegebene Spannungsverlauf praktisch
nur sehr geringfügig von dem mit einer unterbrochen Linie wiedergegebenen exponentiellen
Verlauf abweicht.
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Die in den Fig. 11 bis 13 dargestellte Luftmengenmeßeinrichtung entspricht
weitgehend dem Luftmengenmesser, wie er in Fig. 1 und in Fig. 8 dargestellt ist.
Das einen Teil des in Fig. 1 bei 25 angedeuteten Ansaugluftkanals bildende Gehäuse
des Luftmengenmesser hat im Schwenkbereich der Sta@klappe 30 einen rechteckförmigen
Querschnitt, wobei die dem freien Ende der Stauklappe 30 gegenüberstehende Gehäusewand
55 einen derartigen Ver] auf hat, daß der sich zwischen der Stauklappe und dieser
Gehäusewand öffnende Durchgangsquerschnitt exponentiell mit dem Drehwinkel # der
Stauklappe zunimmt. Das Gehäuse des Luftmengenmessers geht an seinen Endabschni
tten in rohrlörmige Anschlußstutzen 70 und 71 über, von denen der in Richtung des
mit einem Pfeil angedeuteten Ansaugluftstromes hinter der Stauklappe 30 liegende
Anschlußstutzen 71 die zur Steuerung der Brennkraftmaschine dienende Drosselklappe
28 enthält. Hinter der Drosselklappe 28 mündet in den Anschlußstutzen 71 ein Spritzkanal
72 ein. Auf diesem sitzt ein elektromagneti.sch
betätigbares Ventil
73, das nur während eines Kaltstarts der Brennkraftmaschine betätigt wird und dann
zusätzlich zu den jeweils taktsynchron betätigten Einspritzventilen 11 die für den
Kaltstart erforderliche Kraftstoffmehrmenge liefert.
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Die aus der Stauklappe 30, der Drosselklappe 28 und dem Gehäuse 55
bzw. 70, 71 gebildete bauliche Einheit ist ergänzt durch eine Dämpfungseinrichtung
75, die mit der Stauklappe 30 mechanisch gekuppelt ist und verhindern soll, daß
die Stauklappe 30 die beim Betrieb der Brennkraftmaschine auftretenden schnellen
Schwingungen der den Ansaugkanal durchströmenden Luftsäule mitmachen kann.
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Im einzelnen ist mit der in Spezialwälzlagern 76, 77 nach Fig. 13
geführten Stauklappenwelle 78 ein Dämpfungsflügel 80 vernietet, der in einem kreissektorförmigen
Gehause 81 mit kleinem seitlichen Abstand gegenüber den Wanden des Dämpf ergehäuses
schwenkbar ist.
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Um geschaJindigkei.tsabhängige Dämpfungskräfte zu erzielen, ist in
dem Innenraum des Dämpfergehäuses 81 zähflüssiges bl (vorzugsweise Silikonöl) eingebracht,
in welches der Flügel 80 eintaucht. Zur Erzielung einer Richtungsabhängigkeit der
Dämpfungskräfte ist in dem Dämpfungsflügel 80 eine Bohrung 83 vorgesehen, welche
von einer angenieteten Blattfeder 84 so abgedeckt wird, daß sie verschlossen ist,
wenn sich die Stauklappe 30 bei der Rückkehr in ihre durch eine strichpunktierte
Linie angedeutete Nullstellung im Uhrzeigersinn verschwenkt.
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Die Kraft der Blattfeder 84 ist jedoch so schwach gewählt, daß das
verdrängte Silikonöl zu einem Teil durch die Bohrung 83 hindurchgelangen kann, wenn
beim starken Anstieg der Luftmenge die Stauklappe 30 rasch im Gegenuhrzeigersinne
verschwenkt wird.
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Wie der in Fig. 13 dargestellte Querschnitt besser erkennen läßt,
befindet sich unmittelbar neben dem Dämpferflügel 80 ein zweiter Flügel 85, der
jedoch als Bimetallfeder ausgebildet ist und sich bei tiefen Betriebstemperaturen,
beispielsweise bei Temperaturen unterhalb von + 20°C so weit gegenüber der vom Flügel
80 gebildeten gemeinsamen Ebene ausbiegt, daß der größte Teil des Dcimpfungsöles
seitlich am Dämpfungsflügel 80 vorbeifließen kann und dann eine entsprechend verringerte
Dämpfung liefert.
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Der gegenüberliegende, zweite Endabschnitt 87 der Stauklappenwelle
ist mit einem Ende einer Spiralfeder 88 verbunden, die an ihrem anderen Ende mit
einem Winkel 89 am Gehäuse desLuftmengenmessers befestigt ist und versucht, die
Stauklappe im Uhrzeigersinne in ihre Ausgangslage zurückzustellen. Nit dem Wellenabschnitt
87 ist außerdem der als dünne Blattfeder ausgebildete Schleifer 31 des Potentiometers
R verbunden, das eine in üblicher Dickschichtteclulik hergestellte Schleifbahn auf
einem ringsektorförmigen Keramikplättchen oder ein Potentiometer aus leitfähigem
Kunststoff (conduktive plastic) auf einen Kunststoffträger aufweist. Die Spiralfeder
88 ist zusalmnen mit den zum Potenti.ometer R gehörenden Teilen durch eine IIaube
92 aus Isolierstoff abgedeckt, deren Rand 93 mit Krallen 94 am Gehäuse des Luftmengenmessers
festgehalten ist.
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Zur Sicherstellung eines ausreichend hohen Ansaugluftstromes während
des Kaltstart der Brennkraftmaschine ist nach Fig. 11 mit der Drosselklappe 28 ein
Stellhebel 95 verbunden, der mit einem temperaturabhängig verstellbaren Anschlag
zusammenarbeitet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Anschlag als
eine Scheibe 97 ausgebildet, welche auf einer Welle 98 sitzt, die von einer nichtdargestellten
Bimetallspiralfeder in Abhangigkeit von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine
drehbar
ist und dann mit zunehmender Temperatur in der mit einem Pfeil angedeuteten Drehrichtung
verstellt wird, wobei ihre als Anschlagfläche dienende Mantelfläche gegenüber einer
einstellbaren Tastschraube 99 einen mit zunehmendem Drehwinkel kleiner werdenden
radialen Abstand zur Stellachse 98 aufweist und demzufolge die Drosselkiappe 28
ihrer Schließstellung um so mehr nähert, je höher die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine
wird.
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Wie Fig. 12 besser erkennen läßt, arbeitet mit der Drosselklappe 29
ein mechanischer Schalter 101 zusammen; seine nicht dargestellten Schaltkontakte
sind so ausgebildet, daß sie beim Öffnen der Drosselklappe 28 erst dann in ihre
entgegengesetzte Stellung gelangen, wenn die Drosselklappe nahezu vollständig geöffnet
ist. Dieser Schalter kann daher dazu verwendet werden, bei Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine
die eingespritzte Kraftstoffmenge zur Erzielung der Höchstleistung der Brennkraftmaschine
zu erhöhen, wohingegen im Teillastbereich die Brennkraftmaschine mit Luftüberschuß
betrieben werden kann, so daß sich nur sehr geringe schädliche Abgasanteile ergeben.
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Der in Fig. 14 in seinem Querschnitt dargestellte, abgewandelte Buftmengenmesser
weist im Gegensatz zu demjenigen nach den Fig. 11 bis 13 eine Spitzenlagerung 103,
104 für die Welle 105 der Stauklappe 30 auf. Zur Abdichtung des Ansaugrohres gegenüber
dem mit Silikonöl 106 teilweise gefüllten Dämpfergehause 107 ist innerhalb der die
Spiralfeder 108 tragenden Nabe 109 ein Gummikragen 110 vorgesehen, welcher sich
gegen die Wand des Luftmengenmessers verspannt und dabei den Innenraum des Dämpfergehäuses
107 gegen den Ansaugkanal abdichtet.
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Anstelle eines Dämpfungsflügels 111 der dargestellten Art kann mit
der Welle 105 der Stauklappe auch eine Netalischeibe verbunden sein, die an demjenigen
Teil ihrer Oberfläche, mit welchem sie bei der Schwenkbewegung der Stauklappe in
das Silikonöl 106 eintaucht, ein sägczahnförmiges Profil aufweist, welches die gewünschte
llichtungsabhängigkei.t der Dämpfungskraft der Dämpfvorrichtung ergibt.