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Anlage zur Patent-
Anmeldung Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit im Saugrohr
angeordneter Stauklappe zur Luftmengenmessung Die Erfindung betrifft eine elektrisch
gesteuerte, vorzugsweise intermittierend arbeitende Kraftstoffeinspritzeinrichtung
für Brennkraftmaschinen mit einer in ihrer Ansaugleitung angeordneten Drosselklappe
und mit wenigstens einem elektromagnetisch betätigbaren Einspritzventil - vorzugsweise
mit mehreren Einspritzventilen, von denen je eines einem der Zylinder zugeordnet
ist - und mit einem zur Magnetisierungswicklung des Ventils in Reihe liegenden Leistungstransistor
sowie mit einer diesem vorgeschalteten Transistorschalteinrichtung, die synchron
zu den iturbelwellenumrehungen der Brennkraftmaschine unter gleichzeitigem chzeitigem
(Öffnen des Einsprltzventiis 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 Einspritzeinrichtungen
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
in allen Last- und Drehzahlbereichen 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 Druckfühler den dort
herrschenden Ansaugluftdruck mißt, wobei die den jeweiligen Luftdruckwerten entsprechende
Induktivität einer zu diesem Druckwandler gehörenden Eisendrossel die Dauer des
instabilen Betriebszustandes eines Steuermultivibrators bestimmt, der in einer zu
den Kurbelwellenumarehungen synchronen Folge ausgelöst wird. Wegen der In starken
Naße geschwindigkeitsabhängigen Strömungswiderstände sind bei den bekannten Einspritzeinrichtungen
verhältnismäßig aufwendige elektronische Schalteinrichtungen erforderlich, welche
zur drehzahlabhängigen Korrektur der vom Saugrohrdruckfühler eingestellten, vor
jedem Arbe:tstakt elnzuspriczendßn Kraftstof£:nenge denen
Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Einspritzsystem der eingangs beschriebenen
Art eine wesentliche Vereinfachung der die Dauer der Öffnungsimpulse bestimmenden
Steuereinrichtung zu erzielen. Dies läßt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen,
daß in der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine eine als Luftmengenmesser dienende
Stauscheibe angeordnet ist, die entgegen einer Rückstellkraft durch den Ansaugluftstrom
um eine am Rande des Ansaugquerschnitts verlaufende Achse schwenkbar und mit wenigstens
einem auf den Lade- oder Entladevorgang des Energiespeichers einwirkenden Mittel,
insbesondere mit dem Abgriff eines verstellbaren Widerstandes, gekuppelt ist, wobei
die Stauscheibe und die Drosselklappe der Brennkraftmaschine in Ansaugrichtung hintereinander
liegen.
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Für verschiedene Betriebszustände, insbesondere für den Lcerlaufbetrieb
und beim Schiebebetrieb, bei welchem die Brennkraftmaschine beispielsweise mit geschlossener
oder nahezu geschlossener Drosselklappe von dem bergabfalirenden Kraftfahrzeug mit
Drehzahlen angetrieben wird, die wesentlich über der Leerlaufdrehzahl liegen, ist
es zweckmäßig, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine die Drosselklappe
der Brcnnkraftmaschine umgehende Nebenleitung vorgesehen ist, die in Ansaugrichtung
vor der Drosselklappe an die Ansaugleitung angeschlossen ist und hinter der Drosselklappe
in die Ansaugleitung eimtijindet. Eine derartige Nebenleitung kann in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung vorteilhaft dazu benutzt werden, zur Erreichung günstiger Abgaswerte
im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine den Kraftstoff nicht vollständig abzusperren,
sondern die Verbrennung durch eine genaue Anpassung aufrechtzuerhalten. Da bei den
auftretenden, geringen Absolutdrücken, die unterhalb von etwa 240 Torr liegen, eine
Anpassung der Kraftstoffmenge mit Schwierigkeiten verbunden ist, kann nach einem
weiteren Vorschlag der Erfindung zusätzliche Ansaugluft
über ein
mit der Nebenluftleitung in Reihe geschaltetes, unter dem Druck einer Schließfeder
stehendes Ventil, insbesondere über ein federbelastetes Tellerventil an der geschlossenen
Drosselklappe vorbeigeleitet werden.
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Bei bekannten elektronisch gesteuerten Benzineinspritzeinrichtungen
wird im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine die Einspritzung des Kraftstoffs gesperrt,
damit der Anteil der unverbrannten, gesundheitsschädlichen Anteile im Abgas der
Brennkraftmaschine vermindert wird. Dieser als "Abschneiden" bezeichnete Sperrvorgang
darf nur so lange erfolgen, als sowohl die Drosselklappe sich in ihrer Sperrstellung
oder nahezu in ihrer Sperrstellung befindet, als auch gleichzeitig die Drehzahl
der Brennkraftmaschine noch weit genug oberhalb der Leerlaufdrehzahl liegt. Diese
Sperre muß jedoch aufgehoben werden, sobald die Drehzahl auf einen solchen knapp
oberhalb der Leerlaufdrehzahl liegenden Mindestwert abgesunken ist, der noch ein
sicheres Weiterlaufen der Brennkraftmaschine gewährleistet. beine derartige, zum
Wiedereinsetzen der Einsprltzvorgänge führende Aufhebung der Sperrung erfolgt in
der Regel temperaturabhängig, damit die Bren£craftmaschine in kaltem Zustand oder
während ihres Warmlaufs nicht zum Stillstand kommt, sondern mit ausreichender Sicherheit
weiterlaufen kann. hierzu kann vorteilhaft in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
im Zuge der obenbeschriebenen Nebenleitung ein Schieber vorgesehen werden, der in
Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine verstellbar ist und
die über die Nebenluftleitung fließende Zusatzluftmenge bei niedrigen Betriebstemperaturen
wenig, bei höheren Betriebstemperaturen jedoch stärker oder ganz drosselt. In Verbindung
mit einem derartigen Zusatzluftschieber und einer Nebenleitung, welche nur an der
Drosselklappe, nicht jedoch an der Stauscheibe vorbeifuhr-t;, kann man erreichen,
daß die Stauscheibe im Leerlauf von der dann angesaugten Zusatzluftmenge weiter
ausgelenkt wird, und zwar abhängig von der jeweiligen Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine
und
der sich dann ergebenden Drosselstellung des Schiebers. In weiterer Ausgestaltung
der Erfindung ist demgemäß vorgesehen, daß die Drosselklappe in an sich bekannter
Weise mit einem elektrischen Schalter gekuppelt ist, welcher nur dann betätigt wird,
wenn und solange sich die Drosselklappe in ihrer Schließstellung oder wenigstens
annähernd in ihrer Schließstellung befindet und daß außerdem die für den Eintritt
und die Wiederaufhebung des Sperrvorgangs notwendige zweite UND-Bedingung durch
die Stauscheibe dann gegeben wird, wenn sich die Stauscheibe innerhalb eines Schwenkbereichs
befindet, der zwischen der beim Leerlauf der Brennkraftmaschine eintretenden Ausschwenkstellung
und der Vollaststellung der Stauscheibe-liegt.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand von in der Zeichnung wiedergegebenen
Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine elektrisch gesteuerte, intermittierend arbeitende
Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem Luftmengenmesser in ihrem ubersichtsbild
und in teilweise schematischer Darstellung, Fig. 2 ein Prinzipschaltbild ihrer elektronischen,
die Einspritzmenge bestimmenden Steuereinrichtung, Fig. 3 einen die Drosselklappe
und die Stauscheibe der Brennkraftmaschine umfassenden Abschnitt der Ansaug~ leitung
in axialem Längsschnitt, Fig. 4 in gleicher Darstellung einen Abschnitt eines abgewandelten
Ausführungsbeispiels.
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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 Erafstofförderpumpe 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 Nockenazellem2mdrehung
zweimal ausgelöst wird und dann je einen rechteckförmigen, elektrischen Öffnungsimpuls
S für die Einspritzventile 11 liefert. Die in der Zeichnung angedeutete zeitliche
Dauer T1 der Öffnungslinpulse 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. Die Magnetwsicklungen 19 der Einspritzventile
sind zu je einem Entktplungswiderstand 20 in Reihe geschaltet und an eine gemeinsame
Verstärkungs- und Beistungsstufe 21 angeschlossen, die enigstens einen bei 22 angedeuteten
Leistungstransistor enthält, welcher mit seiner Emitter-Kollektor-St-recke in Reihe
mit den Entkopplungswiderständen 20 und den einseitig an Masse angeschlossenen Magnetwicklungen
19 angeordnet ist.
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Bei gemischverdichtenden, mit Frendzündung 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
in Amsaugrohr 25 der Brennkraftmaschine in Strömungsrichtung hinter deren Filter
26, jedoch vor ihrer mit einem Gaspedal 27 verstellbaren Drosselklappe 28 ein Luftmengenmesser
L vorgesehen, der im wesentlichen aus einer Stauscheibe 30 und einen veränderbaren
Widerstand R besteht, dessen verstellbarer Abgriff 31 mit der Stauscheibe gekuppelt
ist. Der Luftmengenmesser 1 arbeitet mit einer Transistorschalteinrichtung TS zusammen,
welche an ihrem Ausgang die Steuerimpulse S für die Leistungsstufe 21 liefert.
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Die Transistorschalteinrichtung enfliält nach ihrem in Fig. 2 dargestellten
Prinzipschaltbild zwei zueinander jeweils in entgegengesetztem Betriebszustand befindliche
und hierzu kreuzweise miteinander rückgekoppelte Transistoren, nämlich einen Eingagstransi'
tor i\ und einen Ausgangstransistor ?2 sowie einen Energiespeicher, welcher in den
Ausführungsbeispiclen als Kondensator G ausgebildet ist, jedoch statt dessen in
einer abgewandelten Schaltung auch als Induktivität realisiert sein könnte. Die
Dauer des jeweiligen Entladevorgangs ergibt die oflnungsdauer Ei der Einspritzventile.
Hierzu muß der »Speicherkondensator C vor jedem Entladevorgang jeweils in definierter
Weise geladen werden.
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Damit die Entladedauer bereits unmittelbar 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 Kurbelwellenumdrehungen betätigt
wird und bewirkt, daß der Kondensator C während der sich über einen festgelegten,
konstanten Drehwinkel der Kurbelwelle hinweg erstreckenden Ladeimpulse LJ mit einer
Aufladequelle verbunden ist, welche während dieser Ladeimpulse jeweils einen Ladestrom
JA liefert. Für den vorliegenden Fall ist angenommen, daß der Signalgeber 18, welcher
bei der praktischen Verwirklichung aus einem bistabilen, von den nicht dargestellten
Zünclimplxlsen jeweils in seine entgegengesetzte Betriebslage gelangenden Nultivibrator
bestehen kann, über einen Kurbelwellendrellwinkel von 180° geschlossen und anschließend
iiber den gleichen Drehwinkel hinweg geöffnet ist.
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Die Anordnung nach Fig. 2 ermöglicht es, in unmittelbarem Anschluß
an den Ladevorgang, der jeweils bei 00, 3600, 7200 usf.
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beendet ist, mit einem von den ladeimpuls£ LJ abgeleiteten Auslöseimpuls
den Entladevorgang einzuleiten, indem der seither stromleitende Ausgangstransistor
T2 gesperrt wird. Gleichzeitig gelangt der seither gesperrte Eingangstransistol
T1 in seinen stromleitenden Zustand, da infolge der Sperrung des AusgangJ-transistors
22 nunmehr ein ausreichender Basisstrom über den Kollektorwiderstand 35 und den
Koppelwiderstand 36 zur Basis-Emitter-Strecke des Eingangs transistors gelangen
kann. Die während des Ladevorgangs gespeicherte Ladung kann dann über die in dieser
Richtung stromleitende Die 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 C 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 Ausgangs transistors 2 verbundenden Elektrode des Kondensators
soweit ab, daß der Ausgangstransistor T2 erneut stromleitend werden kann und dabei
den Eingangstransistor T1 wieder sperrt. Da die Diode 37 verhindert, daß bei gesperrtem
Eingangstransistor 21 über dessen Kollektorwiderstand 39 dem Kondensator Ladestrom
zufließen kann, erfolgt der nächste Ladevorgang erst dann, wenn mit Beginn des nächsten
Ladeimpulses LJ bei einem Kurbelwellendrehwinkel von 1800 bzw. 5400 die Aufladequelle
A erneut eingeschaltet wird.
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Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Luftmengenmeßeinrichtungen entsprechen
weitgehend dem Luftmengenmesser nach Fig. 1. Das einen Teil des in Fig. 1 bei 25
angedeuteten Ansaugluftkanals bildende Gehäuse des I;uftmengenmcssers hat im Schwenkbereich
der Stauklappe 30 einen rechteckförmigen Querschnitt, wobei die dem freien Ende
der Stauklappe 30 gegenüberstehende Gehäusewand 55 einen derartigen Verlauf hat,
daß der sich zwischen der Stauklappe und dieser Gehäusewand öffnende Durchgangsquerschnitt
exponentiell mit dem Drehwinkel p der Stauklappe zunimmt.
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Die aus der Stauklappe 30, der Drosselklappe 28 und dem Gehäuse 55
gebildete bauliche Einheit ist ergänzt durch eine Nebenleitung 60, welche in der
mit einem Pfeil angedeuteten Ansaugrichtung vor der Drosselklappe 28 mit einer Singangsöffnung
61 an die Ansaugleitung angeschlossen ist und hinter der Drosselklappe 28 bei 62
einmündet. Diese Einmündungsstelle ist mit einem durch eine Feder 64 in ihrer Schließstellung
gehaltenen Tellerventil 63 verschlossen. Dieses Ventil öffnet, sobald beim Schiebebetrieb
der Brennkraftmaschine infolge weit
über der Leerlaufdrehzahl liegender
Antriebsdrehzahl der Brennkraftmaschine und bei in Schließstellung befindlicher
Drosselklappe 28 der Absolutdruck in der Ansaugleitung hinter der Drosselklappe
unter einen Wert von beispielsweise 250 Torr abfällt.
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Die Stauklappe 30 kann dann aus der mit ausgezogenen Linien angedeuteten,
während des Schiebebetriebs bei geschlossener Drosselklappe 28 und ebenfalls noch
geschlossenem Tellerventil 63 eingenommenen Lage unter dem Einfluß der über die
Nebenleitung 60 strömenden Zusatzluft in die mit a2 angedeutete Auslenkstellung
gelangen. Hierdurch ergibt sich ein Kriterium für die Anpassung der Einspritzmenge
während dieses zu starkem Unterdruck führenden Betriebes, der durch die Schließstellung
der Drosselklappe und durch die Auslenkung der Stauklappe 30 auf den Winkel 2 charakterisiert
wird. Dieser Grenzwinkel a2 kann beispielsweise durch einen Kontakt oder durch eine
Schwellspannung abgenommen werden, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.
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In der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 4 ist in der vor und
hinter der Drosselklappe 28 in das Ansaugrohr 25 einmündenden Nebenluftleitung 60
ein Zusatzluftschieber 70 angeordnet, der einen nicht dargestellten drehbaren Zylinder
und eine zum Drehen des Zylinders dienende, aus Bimetall hergestellte Spiralfeder
enthält, welche mit dem Kühlwasser oder dem Schmieröl der Brennkraftmaschine in
wärmeleitender Verbindung steht. Diese Bimetallf eder kann derart eingestellt sein,
daß bei Betriebstemperaturen unterhalb von etwa -400C der Kolben des Zusatzluftschiebers
in seiner Durchlaßstellung steht, bei welcher die Nebenluftleitung 60 durch ihre
Einiaßöffnung 61 Zusatzluft gelangen läßt. Da die über die Nebenluftleftung 60 strömende
Luftmenge stark von der temperaturabhängigen Stellung des Zusatzluftschiebers 70
bestimmt wir, ergibt sich eine temperaturabhängige Auslenkung der Stauklappe 30
im Leerlauf Nan kann daher ein temperaturabhängiges
Abschneiden
der Einspritzvorgänge von einer gewissen Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine
ab dadurch verwirklichen, daß man an der Drosselklappe 28 einen Endschalter 72 anordnet,
der von einem mit der Welle der Drosselklappe 28 gekuppelten Tastarm geschlossen
wird, wenn sich die Drosselklappe in der dargestellten Schließstellung befindet.
Um die notwendige zweite, temperaturabhängige Information gewinnen zu können, kann
man in der in Fig. 4 mit unterbrochenen Linien angedeuteten Weise einen Endschalter
75 oder 76 auch für die Stauklappe 30 vorsehen.
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Dieser kann so ausgebildet sein, daß er nur dann geschlossen ist,
wenn die Stauklappe in einen Winkel a3 ausgeschwenkt ist, der kleiner ist als derjenige,
den die Stauklappe 30 in der Leerlaufstellung bei warmem Motor einnehmen würde.
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In Anlehnung an das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann bei der Anordnung
nach Fig. 4 der verstellbare Abgriff 31 des Potentiometers R dazu benutzt werden,
anstelle des Endschalters 75 einen Schwellwertschalter, beispielsweise einen Schmitt-Trigger
mit Hilfe der mit zunehmender Auslenkung der Stauklappe 30 ansteigenden Spannung
U zu steuern. Da diese Spannung auch zur Steuerung des Lade- oder Entladevorgangs
für den in der Transistorschalteinrichtung TS vorgesehenen Energiespeicher dient,
ergibt sich eine besonders einfache Anordnung, ohne daß hierfür weitere mechanische
Vorrichtungen eingesetzt werden müssen.