DE2346333A1

DE2346333A1 - Digitale schaltungsanordnung zur ausloesung des zuendvorganges einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2346333A1
Application number: DE19732346333
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Phys Stark
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-09-14
Filing date: 1973-09-14
Publication date: 1975-03-27
Also published as: JPS5055726A; US3923021A; DE2346333C2; GB1479467A; IT1021388B; FR2244368A5; JPS5831472B2

Description

Sk/Sz

Anlage zur
Patentanraeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart

Digitale Schaltungsanordnung zur Auslösung des Zündvorganges einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine digitale Schaltungsanordnung zur Auslösung eines Betriebsvorganges, insbesondere des Zündvorganges einer Brennkraftmaschine bei einem durch Betriebsparameter der Brennkraftmaschine bestimmten Kurbelwellenwinkel.

Bei Brennkraftmaschinen muß der Zündwinkel in Abhängigkeit von der Drehzahl und von der an der Brennkraftmaschine liegenden Last sowie gegebenenfalls in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine verstellt werden. Dies ist dadurch bedingt, daß die Zündkerze zunächst nur das Gemisch entzündet, das sich in unmittelbarer Nähe der Kerze befindet. Anschließend

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durchläuft eine Flammenfront mit näherungsweise konstanter Geschwindigkeit den Zylinder und entzündet das übrige Gemisch. Unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine benötigt die Flammenfront immer ungefähr die gleiche Zeit, bis sie die Zylinderwand erreicht.

Der maximale Verbrennungsdruck soll sich kurz nach dem Durchgang des Kolbens durch den oberen Totpunkt (OT) einstellen. In der Zündkerze muß deshalb der Zündfunke bei einem Kurbelwellenwinkel entstehen., der um so weiter vor dem oberen Totpunkt liegt, je größer die Drehzahl der Brennkraftmaschine ist. Dadurch wird die konstante Laufzeit der Flammenfront kompensiert.

Die Geschwindigkeit der Flammenfront haiigt weiterhin davon ab, wie kraftstoffarm oder kraftstoffreich und damit wie zündwillig das Kraftstoff-Luft-Gemisch ist. Wenn an der Brennkraftmaschine eine große Last liegt und die Drosselklappe weit geöffnet ist (niedriger S augr ohrunter druck), dann wird dem Zylinder ein zündwilliges, kraftstoffreiches Gemisch zugeführt, in dem sich die Flammenfront mit großer Geschwindigkeit ausbreitet. Die Zündung kann deshalb relativ spät erfolgen. Wenn umgekehrt nur eine geringe Last an der Brennkraftmaschine liegt und die Drosselklappe weitgehend geschlossen ist, dann stellt sich im Vergaser ein kraftstoffarmes Gemisch ein, das nur eine niedrige Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammenfront zuläßt. Dementsprechend muß die Zündung früher erfolgen. Man spricht in diesem Zusammenhang von Frühzündung, wenn der Zündwinkel weit vor dem oberen Totpunkt liegt und von Spätzündung, wenn der Zündwinkel nur wenig vor dem oberen Totpunkt oder gar nach dem oberen Totpunkt liegt.

Es ist üblich, als Maß für die an der Brennkraftmaschine liegende Last den Saugrohrunterdruck zu verwenden und diesen mit Hilfe einer Unterdruckdose zu messen. Die Drehzahl wird bei herkömmlichen Zündschaltungen mechanisch mit Hilfe von Fliehgewichten gemessen.

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Es sind schon verschiedene elektronische Schaltungsanordnungen bekanntgeworden, welche die herkömmlichen mechanischen Zündwinkel-Verstelleinrichtungen ersetzen und verschleißfrei arbeiten sollen. Die meisten Schaltungen sind in Analog-Schaltungstechnik aufgebaut; Drehzahl und Saugrohrunterdruck werden in Gleichspannungen variabler Größe umgesetzt. Die Analog-Schaltungstechnik hat den Nachteil, daß vor Inbetriebnahme der Zündwinkel-Verstellschaltung umfangreiche Abgleicharbeiten vorgenommen werden müssen, um die Spannungspegel der einzelnen Stufen der Schaltung aneinander anzupassen. Exemplarstreuungen der einzelnen Bauelemente müssen so ausgeglichen werden. Außerdem ist das Langzeitverhalten von Analog-Schaltungen unbefriedigend, da sich die einzelnen Spannungsniveaus infolge von Alterungseinflüssen langsam verschieben.

Es ist auch schon eine digitale Schaltungsanordnung zur Zündwinkelverstellung bekanntgeworden, bei die Drehzahl der Brennkraftmaschine dadurch erfaßt wird, daß ein Zähler während einer bestimmten Zeit die Ausgangsimpulse eines Impulsdrehzahlgebers zählt. Die Zeitdauer der Zählung wird durch eine monostabile Kippstufe bestimmt, deren Impulsdauer in Abhängigkeit vom Saugrohrunterdruck und gegebenenfalls von weiteren Betriebsparametern verändert wird. Die Schaltungsanordnung ist deshalb nur teilweise digital und weist bezüglich der monostabilen Kippstufe die schon genannten Nachteile der Analog-Schaltungstechnik auf. Es ist außerdem sehr schwierig, mehr als einen Betriebsparameter zur Einstellung der Impulsdauer der monostabilen Kippstufe heranzuziehen.

Bei der bekannten halb-digitalen Schaltungsanordnung ist für die Festlegung des Zündwinkels ein Zählvorgang maßgeblich, der in zwei Abschnitte aufgeteilt ist. Der erste Abschnitt beginnt z. B. l8o° vor dem oberen Totpunkt; die Ausgangsimpulse des Drehzahlgebers werden während der durch die monostabile Kippstufe festgelegten Zeit gezählt. Der Zählerstand ist um so größer, je höher die Drehzahl ist. Anschließend wird z. B. 45° vor dem oberen Totpunkt der Zählvorgang fortgesetzt und bei einer vorbestimmten Zahl von Zählimpulsen beendet, wobei der Zündvorgang ausgelöst wird. Je

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.4- ^{17 3} °

mehr Impulse während der Drehzahlmessung schon gezählt waren, um so weniger Impulse müssen im zweiten Zählabschnitt noch gezählt werden. Das bedeutet, daß bei hoher Drehzahl früher gezündet wird.

Dieses Zählverfahren bringt einen großen dynamischen Fehler mit sich, wenn sich die Drehzahl der Brennkraftmaschine schnell ändert, da eine Drehzahlerfassung nur einmal pro Kurbelwellenumdrehung vorgenommen wird. Wenn dann nach einer halben weiteren Umdrehung der Kurbelwelle der Zündvorgang ausgelöst wird, hat sieh die Drehzahl der Brennkraftmaschine unter Umständen schon stark geändert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Zündwinkelverstellung zu schaffen, die vollständig aus Bauelementen der digitalen Schaltungstechnik aufgebaut ist und außerdem den dynamischen Fehler bei der Drehzahlmessung möglichst weitgehend vermindert. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch

a) einen Impuls-Drehzahlgeber, der eine Folge von Impulsen abgibt, deren zeitlicher Abstand von einem Periodendauerzähler bestimmt und in einem Endstandspeicher als Binärzahl gespeichert wird,

b) einen Kennliniengeber, der eine Folge von Impulsen abgibt, die ungleichförmig über den von der Kurbelwelle durchlaufenen Winkel verteilt sind und von einem Kennlinienzähler gezählt werden, und

c) einen Binärzahlen-Vergleicher, der den Betriebsvorgang auslöst, sobald der Zählerstand des Kennlinienzählers und die im Endstandspeicher stehende Binärzahl gleich groß sind.

Die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine treibt also zwei verschiedene Impulsgeber an, nämlich den Impuls-Drehzahlgeber, dessen Ausgangsimpulse gleichmäßig über den KurbeIwellenwinkel verteilt sind, und den Kennliniengeber, dessen Impulse nach einer gewünschten Drahzahlcharakteristik über den Kurbelwellenwinkel verteilt sind. Der Drehzahlgeber kann eine große Zahl von Impulsen pro Kurbelwellenumdrehung abgeben, so daß man den dynamischen Fehler der

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Drehzahlmessung nahezu beliebig verkleinern kann. Mit jedem neuen Drehzahlgeberimpuls liegt im Endstandspeicher eine neue Drehzahlinformation vor. Mit dem Kennliniengeber kann jede gewünschte Drehzahlcharakteristik nachgebildet werden, die an die verwendete Brennkraftmaschine angepaßt ist. Im Kennlinienzähler liegt eine Binärzahl vor, die ein Maß für den nach Beginn der Kennlinienzählung durchlaufenen Kurbelwellenwinkel ist.

Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung gibt es verschiedene Möglichkeiten, weitere Betriebsparameter in rein digitaler Form zu berücksichtigen. So können der Anfangsstand des Periodendauerzählers und der des Kennlinienzählers variiert werden. Eine besonders einfache Möglichkeit, den Saugrohrunterdruck zu berücksichtigen, besteht darin, daß man die Zählfrequenz des Periodendauerzählers verändert.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Ausgestaltungen werden nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

Pig. 1 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise des bis β Ausführungsbeispiels, und

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines kombinierten optischen Drehzahl- und Kennliniengebers.

In Fig. 1 ist ein Impulsdrehzahlgeber mit 10 bezeichnet. Dieser enthält ein von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenes Zahnrad 11, dessen ferromagnetische Zähne an einem Magnetkern 12 vorbeilaufen, wenn sich das Zahnrad 11 dreht. Auf den Magnetkern 12 ist eine Spule 15 gewickelt. Ein Anschluß der Spule liegt an Masse und der andere Anschluß bildet den Ausgang des Impulsdrehzahlgebers 10. Dem Impulsdrehzahlgeber 10 ist eine Impuls-

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formerschaltung 14 nachgeschaltet, die aus einem Differenzierglied 15 und einem Schmitt-Trigger 16 besteht. Das Differenzierglied 15 enthält einen Differenzierkondensator 17, der mit einem Anschluß am Ausgang des Drehzahlgebers 10 und mit seinem anderen Anschluß über einen Widerstand l8 an Masse liegt. Vom Verbindungspunkt des Kondensators I7 und des Widerstandes l8 führt eine Diode 19 zum Eingang des Schmitt-Triggers l6.

Eine Unterdruck-Meßdose 20 ist über eine Rohrleitung 21 an das nicht dargestellte Ansaugrohr der Brennkraftmaschine angeschlossen. Die Unterdruck-Meßdose 20 verschiebt über ein Verbindungsglied 22 einen Ferritkern 23 in einer Hochfrequenzspule 24. Die Hochfrequenzspule 24 bildet zusammen mit einem Kondensator 25 einen Parallelschwingkreis, der die Sclwingungsfrequenz eines Oszillators 26 festlegt.

Der Ausgang des Oszillators 26 ist zum Zähleingang ζ eines Periodendauerzählers 27 geführt. Ein Ladeeingang 1 des Periodendauerzählers 27 ist an den Ausgang des Schmitt-Triggers 16 angeschlossen. Der Binärzahlenausgang des Periodendauerzählers 27 ist mit dem Eingang eines Endstandspeichers 28 verbunden, dessen Ladeeingang 1 über eine Umkehrstufe 29 an den Ausgang des Schmitt-Triggers 16 angeschlossen ist.

Ein Kennliniengeber 30 enthält wie der Drehzahlgeber 10 ein von der Kurbelwelle angetriebenes Zahnrad 3I, dessen ferromagnetische Zähne an einem Magnetkern 32 vorbeilaufen. Die Zähne sind beim Zahnrad 11 gleichmäßig und beim Zahnrad 31 ungleichmäßig über den Umfang des Zahnrades verteilt. Auf den Magnetkern 32 ist eine Spule 33 gewickelt, die mit einem Anschluß an Masse liegt. Der zweite Anschluß der Spule 33 bildet den Ausgang des Kennliniengebers 30 und ist zum Eingang eines Schmitt-Triggers 34 geführt, der als Impulsformer dient.

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Der Ausgang des Schmitt-Triggers 34 ist mit dem Zähleingang ζ eines Kennlinienzählers 35 verbunden. Der Ladeeingang 1 des Kennlinienzählers 35 liegt am Ausgang eines Bezugsimpulsgebers, der durch einen Schalter 36 gebildet wird. Der Schalter 36 wird von einem Nocken 37 synchron zur Kurbelwellendrehzahl· periodisch geöffnet und geschlossen. Mit einer unterbrochenen Linie 38 ist angedeutet , daß sowohl die beiden Zahnräder 11, J>1 als auch der Nocken 37 von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben werden. Der Binärzahlen-Ausgang des Kennlinienzählers 35 und der Ausgang des Endstandspeichers 28 sind mit zwei Binärzahlen-Eingängen eines Binärzahlen-Vergleichers 39 verbunden. Der Ausgang des Vergleichers 39 ist an den Eingang eines Leistungsverstärker 40 angeschlossen.

Weiterhin sind zwei Anfangsstand-Speicher 41, 42 vorgesehen, von denen der erste mit seinem Ausgang an den Binärzahlen-Eingang des Periodendauerzählers 27 und der zweite an den Binärzahlen-Eingang des Kennlinienzählers 35 angeschlossen ist. Die beiden Anfangsstand-Speicher 41, 42 sind als Lesespeicher (Read Only Memory ROM) ausgebildet und weisen Adresseneingänge 43 bzw. 44 auf, an Vielehe Binärzahlen Za bzw. Zb angelegt werden können.

Die Binärzahlen Za und Zb sind schematisch als dreistellige Binärzahlen dargestellt. Eine Stelle der Binärzahl Zb ist durch das Ausgangssignal eines Schwellwertschalters 45 bestimmt. Der Eingang des Schwellwertschalters 45 ist an den Abgriff eines Spannungsteilers angeschlossen, der durch einen Widerstand 46 und einen NTC-Widerstand 47 gebildet wird. Der NTC-Widerstand 47 steht in thermischem Kontakt mit dem Motorblock der Brennkraftmaschine.

Eine Stelle der Binärzahl Za wird dadurch bestimmt, ob ein Anlasserschalter 48 geschlossen oder geöffnet ist. Eine weitere Stelle der Binärzahl Za ist durch die Stellung eines Schalters 49 bestimmt, der in Abhängigkeit vom Ausgangssignal einer nicht dargestellten Abgas-Meßsonde geöffnet oder geschlossen wird. Die übrigen Stellen der Binärzahlen Za und Zb können z. B. dazu ver-

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wendet werden, die Motorblocktemperatur mit größerer Genauigkeit zu berücksichtigen und den Zündwinkel in Abhängigkeit von dieser Temperatur in mehreren Stufen zu verstellen.

In der Spule Ij5 des Drehzahlgebers 10 werden Wechselspannungsimpulse induziert, wenn die ferromagnetischen Zähne des Zahnrades am Magnetkern 12 vorbeilaufen. Die Frequenz dieser Wechselspannungsimpulse ist proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine. Das Differenzierglied 15 dient dazu, aus den Wechselspannungsimpulsen des Drehzahlgebers 10 sehr steilflankige Nadelimpulse zu formen. Die Diode 19 läßt nur die positiven Nadelimpulse zum Schmitt-Trigger 16 durch. Dieser formt aus den Nadelimpulsen sehr schmale Rechteckimpulse. Die Impulsdauer dieser Rechteckimpulse muß klein gegenüber dem zeitlichen Abstand der Rechteckimpulse sein.

Diese Forderung muß beim Kennliniengeber 30 nicht so streng erfüllt werden; deshalb ist der Schmitt-Trigger ~$k direkt an den Ausgang der Spule 33 angeschlossen..

Der Oszillator 26 ist als LC-Oszillator ausgebildet (z. B. Hartley- oder Colpitts-Oszillator). Der Parallelschwingkreis 24, 25 bestimmt die Schwingungsfrequenz des Oszillators 26. Bei großem Saugrohrunterdruck, d. h. wenn die Drosselklappe weitgehend geschlossen ist, wird die Unterdruck-Meßdose 20 vom äußeren Luftdruck stark zusammengepreßt. Sie zieht dann über das Verbindungsglied 22 den Ferritkern weit in die Hochfrequenzspule 24 hinein.. Dadurch steigt die Induktivität der Spule 24, und die Schwingungsfrequenz des Oszillators 26 nimmt ab. Diese Schwingungsfrequenz ist also um so höher, je niedriger der Saugrohr-Unterdruck ist und je größer die an der Brennkraftmaschine liegende Last ist.

Der Ferritkern 23 besitzt beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 eine konische Form. Durch diese Formgebung erreicht man, daß die Schwingungsfrequenz des Oszillators 26 nicht linear vom Saugrohr-Unterdruck abhängt. Man kann also durch die Formgebung des Kernes 23 beliebige Unterdruckkennlinien nachbilden.

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Die in Fig. 1 dargestellten Zähler 27, 35 und Speicher 41, 28, 42 sowie der Binärzahlen-Vergleicher 39 sind als integrierte Bausteine handelsüblich. Als Zähler 27, 35 können die Bausteine SN 7419I, als Speicher 28 der Baustein SN 7475 und als Binärzahlen-Vergleicher 39 der Baustein SN 7485 verwendet werden. Als Anfangsstand-Speicher 41, 42 verwendet man ebenfalls den Baustein SN 7475* wenn man keine Korrekturgrößen Za, Zb vorsehen will und deshalb keine Adresseneingänge 33* 3²I- benötigt. Wenn man dagegen je nach den Betriebsbedingungen verschiedene Binärzahlen Za, Zb als Anfangsstand der Zähler 27, 35 berücksichtigen will, verwendet man als Speicher 4l, 42 einen Lesespeicher (ROM). Wenn man schließlich bei Versuchsschaltungen die Speicherwerte der Speicher 4l, 42, die zu verschiedenen Binärzahlen Za, Zb gehören, immer wieder ändern will, verwendet man als Speicher 41, 42 einen programmierbaren Lesespeicher (PROM, z. B. Intel I702).

Die Lesespeicher bzw. programmierbaren Lesespeicher geben an ihrem Ausgang eine Binärzahl ab, deren Wert durch die am Adresseneingang liegende Binärzahl Za bzw. Zb bestimmt ist. Die Stellenzahl der Ausgangs-Binärzahl kann an die Stellenzahl der Zähler 27, 35 angepaßt werden.

In Fig. 2 ist eine Drehzahl-Verstellkennlinie 50 dargestellt, wie sie bei mechanischen Zündwinkel-Verstelleinriehtungen durch Fliehgewichte nachgebildet wird. Der Zündwinkel ist mit OL ζ bezeichnet und wird in Grad vor dem oberen Totpunkt gemessen. In Fig. 2 sind drei Abszissenmaßstäbe eingezeichnet. Auf dem obersten Maßstab ist die Drehzahl η in U/min aufgetragen. Der zweite Maßstab zeigt die Drehzahl η in U/sec oder Hz. Der dritte Maßstab zeigt schließlich die für eine Umdrehung benötigte Periodendauer T in Millisekunden (ms). Bei der Verstellkennlinie nach Fig. 2 bleibt der Zündwinkel bei niedrigen Drehzahlen bis zu 1 000 U/min zunächst konstant. Er steigt dann bis zu einer Drehzahl von 3 200 U/min steil an; ober- " halb von 3 200 U/min wird der Anstieg flacher.

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In Fig. 5 ist eine Drehzahl-Verstellkennlinie 51 dargestellt, die aus der Kurve 50 entstanden ist. Der Zündwinkel oiz ist hier aber als Punktion der Periodendauer T aufgetragen, die einen linearen Abszissenmaßstab bildet. Oberhalb einer Periodendauer von βθ ms sollte die Verstellkennlinie einen konstanten Wert von 10° annehmen. Die Kennlinie, die durch die Schaltung nach Pig. I realisiert wird, weist demgegenüber einen flachen Abfall gemäß der unterbrochenen Linie 52 auf. Ein solcher flacher Abfall ist günstig, da bei sehr niedrigen Drehzahlen der Zündwinkel weiter in Richtung Spätzündung verschoben ist. Mit Fliehgewichten läßt sich ■ dieser Abfall aber nicht realisieren, da bei so niedrigen Drehzahlen noch keine hinreichend großen Fliehkräfte auftreten.

Die Verstellkennlinie 51, 52 nach Fig. 5 muß durch die Schaltung nach Fig. 1 nachgebildet werden, da der Periodendauerzähler 27 den zeitlichen Abstand zweier Impulse des Drehzahlgebers IO mißt. Die Zündwinkelverstellung ist deshalb auf die Periodendauer und nicht wie bei üblichen Verstelleinrichtungen - auf die Drehzahl zu beziehen. In den Fig. k und 5 ist dargestellt, wie der Periodendauerzähler 27 den zeitlichen Abstand der Impulse des Drehzahlgebers erfaßt und gleichzeitig den Saugrohrunterdruck berücksichtigt.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 ist angenommen, daß eine negative Impulsflanke am Ladeeingang 1 des Zählers 27 und des Speichers 28 dafür sorgt, daß die am Jeweiligen Binärzahleneingang liegende Zahl übernommen wird. Deshalb wird der Zählerendstand des Periodendauerzählers 27 in den Endstandspeicher 28 übernommen, sobald der Schmitt-Trigger 16 eine Impulsvorderflanke abgibt, die in der Umkehrstufe 29 invertiert wird. Der Impuls des Schmitt-Triggers 16 dauert nur sehr kurz an, und mit seiner Rückflanke wird die vom Anfangsstandspeieher 41 abgegebene Binärzahl ZOl in den Periodendauerzähler 27 übernommen. Der Zählerstand des Periodendauerzäh- · lers 27 ist in Fig. 4 mit Z bezeichnet; er beginnt jeweils bei ZOl und verläuft treppenförmig abwärts, weil der Zähler 27 als Rückwärtszähler ausgebildet ist. ' ·

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In den Zeitpunkten Tl bis Τ4 gibt der Drehzahlgeber 10 Impulse ab. Bei den ersten drei Impulsen bleibt der zeitliche Abstand konstant, während beim vierten Impuls im Zeitpunkt T4 angenommen ist, daß sich die Drehzahl erhöht und der Impulsabstand entsprechend vermindert hat.

Beim Diagramm nach Fig. 5 liegen genau die gleichen Drehzahlverhältnisse vor. Der Unterschied in den beiden Diagrammen nach Fig. 4 und 5 besteht darin, daß die vom Oszillator 26 abgegebene Zählfrequenz in Fig. 5 höher ist, weil eine größere Last an der Brennkraftmaschine liegt. Infolge der niedrigen Zählfrequenz in Fig. 4 erreicht der Periodendauerzähler 27 beim Eintreffen der Impulse Tl bis Tj5 jeweils einen relativ hoch liegenden Zähle rends t and Zl. Dieser wird in den Endstandspeicher 28 üDernomrnen, und der Zähler wird wieder auf seinen Anfangsstand ZOl gesetzt. Beim vierten Drehzahlgeberimpuls Τ4 ist der Abstand zum vorangehenden Impuls kleiner, so daß auch der Zähler 28 nur einen noch höher liegenden Endstand Z3 erreicht, der im Zeitpunkt T4 in den Endstandspeicher 28 übernommen wird.

Beim Diagramm nach Fig. 5 ist die Zählfrequenz höher und der Zähler 27 erreicht bei den ersten Drehzahlgeberimpulsen Tl bis T3 den niedrigen Zählerstand Z2, während er beim vierten Drehzahlgeberimpuls den etwas höheren Zählerstand Z4 erreicht.

Der Zählerendstand Zl bis Z4 ist also einerseits ein Maß für die Drehzahl der Brennkraftmaschine und andererseits ein Maß für den Saugrohrunterdruck. In Fig. 6 ist dargestellt, wie mit"Hilfe des Kennlinienzählers 35 aus dem Zählerendstand Zl bis Z4 des Periodendauerzählers 27 der Zündwinkel ΛΓ bestimmt wird.

Der Kennlinienzähler 35 wird vom Bezugsimpulsgeber durch Schließen des Schalters 36 (negative Impulsflanke) auf den Anfangsstand Z02 gesetzt, der vom Anfangsstandspeicher 42 abgegeben wird. Es ist in Fig. 6 angenommen, daß dieses Laden des Zählers 35 bei einem Winkel CXO von 42° vor dem oberen Totpunkt vorgenommen wird. Der Kenn- _y

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liniengeber 30 beginnt 4o vor dem oberen Totpunkt damit, Impulse abzugeben. Der Kennlinienzähler 35 ist ebenfalls als Rückwärtszähler ausgebildet.

Wenn die Drehzahl-Verstellkennlinie 51 nach Fig. 3 steil verläuft, dann bedeutet dies, daß sich der Zündwinkel ocz bei nur geringfügiger Änderung der Periodendauer stark ändern muß. Eine solche starke Änderung wird durch großen Winkelabstand der Zähne des Zahnrades Jl realisiert. Umgekehrt müssen die Zähne des Zahnrades 31 sehr dicht stehen, wenn die Kennlinie 51 nach Fig. 3 flach verläuft. Bei dem Zahnrad 31 nach Fig. 1 ist angedeutet, wie die Verstellkennlinie nach Fig. 3 nachgebildet wird. Die ersten drei Zähne stehen relativ dicht, da sie das flache Kennlinienstück zwischen T= 10 ms und T = 20 ms nachbilden. Anschließend folgt das steilere Kennlinienstück und die Zähne weisen einen größeren Abstand auf. Sie stehen dann wieder dichter, um das Kennlinienstück bis T = 60 ms nachzubilden, und rücken im Endbereich sehr dicht zusammen, da die Kennlinie hier möglichst flach verlaufen soll.

Die Darstellung des Zahnrades Jl nach Fig. 1 ist nur schematisch aufzufassen, da dort die Zähne über einen Winkelbereich von mehr als l80° verteilt sind, während sie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 über einen Winkelbereich von 40° bis 10° vor OT, also über etwa 30°, verteilt sein sollen. Wenn eine hohe Winkelauflösung erforderlich ist, kann man trotzdem die Zähne des Zahnrades 31 über einen größeren Winkelbereich verteilen - wie es in Fig. dargestellt ist - wenn man durch eine Übersetzung dafür sorgt, daß das Zahnrad 31 schneller als die Kurbelwelle läuft.

Die Zählkurve des Kennlinienzählers 35 nach Fig. 6 verläuft wegen des wechselnden Zahnabstandes dort steil, wo die Verstellkennlinie nach Fig. 3 flach verläuft und umgekehrt. Bei hohen Drehzahlen, d. h. kleinen Periodendauern T, erreicht der Periodendauerzähler 27 Zählerendstände, die sich nur wenig vom Anfangsstand ZOl unterscheiden. Dort verläuft die Zählkurve des Kennlinienzählers 35

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nach Pig. 6 steil: bei kleiner Periodendaueranderung ändert sich der Zündwinkel ctf ζ nur wenig, wie es durch die Verstellkennlinie nach Fig. 3 gefordert ist. Die Zählkurve nach Fig. 6 erreicht den Zählerendstand Zl (siehe Fig. 4) bei einem Zündv/inkel (X.z von etwa 18° vor OT. In diesem Augenblick sind die beiden am Binärzahlen-Vergleicher 39 liegenden Zahlen gleich groß, und der Vergleicher gibt einen Impuls ab, der im Leistungsverstärker 40 verstärkt und der Zündeinrichtung zugeführt wird.

Bei dem Fall hoher Last bzw. niedrigen Saugrohrunterdruckes nach Fig. 5 stellt sich trotz gleicher Drehzahl der niedrigere Zählerendstand Z2 ein. Die Zündung erfolgt deshalb erst, wenn die Zählkurve nach Fig. β den Wert Z2 erreicht hat, d. h. bei einem Zündwinkel ζ von etwa 11 vor OT. Dies la'ö beabsichtigt, da - wie eingangs erläutert - bei großer Last ein zündwilligeres Gemisch vorliegt und die Laufzeit der Flammenfront geringer ist.

Die Schwierigkeiten der elektromagnetischen Geber 10 und 30 nach Fig. 1 liegen darin, daß sie nur eine begrenzte Winkelauflösung erlauben. Auf dem Umfang des Zahnrades 11 bzw. 31 können maximal etwa 120 Zähne mit einem gegenseitigen Winkelabstand von 3 angebracht werden. Die Genauigkeit der Auflösung des Zündwinkels Οζζ wird nach Fig. 6 durch die Abstände der Zähne des.Zahnrades 31 bestimmt. Selbst wenn man eine vierfache Drehzahlübersetzung gegenüber der Kurbelwelle vorsieht, ergibt sich bei den am dichtesten stehenden Zähnen nur eine Winkelauflösung von etwa 0,8 . In den steileren Bereichen der Drehzahlverstellkennlinie nach Fig. 3 rücken dann die Zähne des Zahnrades 31 weiter auseinander, so daß in diesen Bereichen nur eine Winkelauflösung von etwa 5° zu erzielen ist. Da diese Auflösung unabhängig von der Lebensdauer erhalten bleibt, bedeutet sie schon einen nennenswerten Fortschritt gegenüber mechanischen Zündwinkel-Verstelleinrichtungen. Trotzdem besteht ein Bedürfnis, die an sich mögliche Genauigkeit der digitalen Schaltungsanordnung noch weiter auszunützen. Zu diesem Zweck kann man die elektromagnetischen Geber 10, 30 durch fotoelektrische Geber ersetzen. Derartige Geber sind bekannt: im Strahlengang zwi-

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sehen einer Lichtquelle und einer Fotozelle läuft eine Scheibe, auf der lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche einander abwechseln. Bei Drehung der Scheibe werden in der Fotozelle elektrische Spannungsimpulse erzeugt. Auf dem Umfang der Scheibe können ohne größere Schwierigkeiten 1 200 undurchsichtige Marken angebracht werden, so daß sich die Genauigkeit der Winkelauflösung gegenüber dem elektromagnetischen Geber verzehnfacht.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solchen Scheibe für einen fotoelektrischen Drehzahl- und Kennliniengeber. Die Scheibe dreht sich in Pfeilrichtung um eine Achse 53. Auf ihrem Umfang sind drei Geberspuren ^K, 55> 56 angebracht. Diesen drei Geberspuren sind drei Fotozellen zugeordnet. Die Stellen, an denen der von der Lichtquelle zur Fotozelle verlaufende olrahlengang die durchsichtige Scheibe durchdringt, sind in Fig. 7 mit 57, 58* 59 bezeichnet.

Die erste Geberspur 5^ dient im Zusammenwirken mit der ersten Fotozelle 57 als Bezugsimpulsgeber und tritt deshalb an die Stelle des Nockens 37 und des Schalters J>6 nach Fig. 1. Die zweite Geberspur 55 bildet zusammen mit der Fotozelle 58 den Impuls-Drehzahlgeber 10 nach Fig. 1. Die dritte Geberspur 5^ bildet schließlich zusammen mit der dritten Fotozelle 59 den Kennliniengeber.

Die dritte Geberspur 56 enthält zwei gleiche Serien von Gebermarken, die an die Stelle der Zähne des Zahnrades Jl treten. Die beiden Serien von Marken erstrecken sich jeweils über Winkel von etv/as mehr als 90⁰, d. h. sie sind gegenüber der Zählkennlinie nach Fig. um einen Faktor 2 im Winkel gedehnt. Die in Fig. 7 dargestellte Scheibe muß sich deshalb mit doppelter Kurbelwellendrehzahl drehen. Da sie auf der ersten Geberspur 5^- auch zwei Bezugs impulsmarken aufweist, gibt sie bei jeder Kurbelwellenumdrehung vier Bezugsimpulse zum Laden des Kennlinienzählers 35 und vier Kennlinienimpuls-Serien ab. Es werden also bei jeder Kurbelwellenumdrehung vier Zündimpulse erzeugt. Das ist bei einem Achtzylindermotor erforderlich.

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Es ist selbstverständlich auch möglich, die "beiden Serien von Kennlinienmarken auf der dritten Geberspur 56 nur über Winkel von etwa 40 bis 45° zu verteilen und die Scheibe direkt mit der Kurbelwellendrehzahl anzutreiben. Auch andere Übersetzungsfaktoren sind möglich« Man hat jeweils die Zylinderzahl und die gewünschte Winkelauflcsung zu berücksichtigen.

Die Scheibe nach Fig. 7 gibt jeweils bei einem Kurbelwellenwinkel von 45° vor dem oberen Totpunkt mit Hilfe der ersten Geberspur 54 einen Bezugsimpuls ab, der den Kennlinienzähler 55 auf seinen Anfangsstand Z02 auflädt. Etwa bei 43 vor dem oberen Totpunkt beginnen dann die Marken der dritten Geberspur, welche die Zählimpulse für den Kennlinienzähler 35 erzeugen. Der Markenabstand folgt dabei etwa den gleichen Gesetzmäßigkeiten wie der Zahnabstand des Zahnrades J>1 nach Fig. 1. Die Marken sind dabei auch über den oberen Totpunkt OT hinaus fortgesetzt. So späte Zündung kommt beim Kaltstart in Frage. Bei sehr niedriger Motorblocktemperatur nimmt der NTC-Widerstand 47 (siehe Fig. 1) einen so hohen Wert an, daß der Schwellwertschalter 45, der als Schmitt-Trigger ausgebildet sein kann, umschaltet und damit die am Adresseneingang 44 des Anfangsstandspeichers 42 liegende Binärzahl Zb verändert. Der Anfangsstandspeicher 42 gibt deshalb eine Binärzahl ab, die wesentlich größer ist als Z02. Die Zählkennlinie nach Fig. 6 wird deshalb nach oben verschoben, und der Zündwinkel wird bei allen Drehzahlen in Richtung Spätzündung verschoben. Die Verschiebung der Kennlinie nach Fig. 6 kann dabei so weit gehen, daß sich ZündwinkeKXz ergeben, die nach dem oberen Totpunkt liegen. Deshalb sind die Marken der dritten Geberspur 56 auch über den oberen Totpunkt hinaus fortgesetzt.

In speziellen Fällen will man auch während des AnIaßvorganges den Zündwinkel in Richtung Spätzündung verstellen. Zu diesem Zweck ist in der Schaltung nach Fig. 1 der Anlaßschalter 48 mit einem Adresseneingang 43 des Anfangsstandspeichers 41 verbunden. Solange der Anlaßschalter 48 geschlossen ist, liegt am Adresseneingang 43 eine andere Adressen-Binärzahl Za, und der Anfangsstand ZOl des Periodendauerzählers 27 wird auf einen niedrigeren Wert verschoben. Damit

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ergibt sich zwangsläufig in den Fig. 4 und 5 auch ein niedrigerer Zählerendstand Zl bis Z4. Dieser niedrigere Z ahle rends t and wird auch von der Zählkennlinie nach Fig. 6 erst später erreicht, so daß der Zündwinkel wie gefordert in Richtung Spätzündung verschoben wird. In gleicher Weise kann man durch öffnen oder Schließen des Schalters 49 in Abhängigkeit von der Abgaszusammensetzung den Zündwinkel je nach Bedarf in Richtung Früh- oder Spätzündung verschieben. Es ist auch möglich, durch Belegung mehrerer Adresseneingänge des Anfangsstandspeichers 41 den Zündwinkel in Abhängigkeit von der Abgaszusammensetzung in mehreren Stufen zu verändern.

Ebenso ist es möglich, einen Oszillator 26 vorzusehen, der eine feste Ausgangsfrequenz aufweist. Zur Berücksichtigung des Saugrohrunterdruckes kann man dann mit Hilfe der Unterdruck-Meßdose 20 nacheinander mehrere Schalter schließen, welche an die Adresseneingänge 43 bzw. 44 angeschlossen sind. Der Saugrohrunterdruck beeinflußt dann direkt über die Adressen-Binärzahlen Za bzw. Zb den Anfangsstand der Zähler 27 und 35· Der Schaltungsaufwand ist etwas geringer als der für den Oszillator 26 mit variabler Frequenz; dagegen kann der Saugrohrunterdruck nur in einzelnen Stufen und nicht kontinuierlich berücksichtigt werden.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 liegt die Ausgangsfrequenz des Oszillators 26 in der Größenordnung von 100 kHz; sie kann sich beispielsweise zwischen 80 und 120 kHz verändern. Der Winkelabstand der Drehzahlgebermarken auf der zweiten Geberspur 55 nach Fig. 7 ist so zu wählen, daß der Oszillator 26 von Marke zu Marke ungefähr gleich viele Impulse abgibt wie in einer Serie von Kennliniengebermarken enthalten sind. Bei dem Beispiel nach Fig. J sind auf der zweiten Geberspur 55 16 Drehzahlgebermarken angebracht/ Da sich die Scheibe mit doppelter Kurbelwellendrehzahl dreht, ergibt sich bei einer Leerlaufdrehzahl von 600 U/min ein Zeitabstand der Drehzahlgeberimpulse von etwa 3 ms und bei Höchstdrehzahl von 6 000 U/min ein Zeitabstand von etwa 0,3 ms. Wenn diese Zeitabstände mit einer Oszillatorfrequenz von 100 kHz ausgezählt werden, dann werden dem Periodendauerzähler 27 bei Leerlaufdrehzahl

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500 Impulse und bei Höchstdrehzahl 30 Impulse zugeführt. Der Anfangsstand ZOl des Periodendauerzählers 27 muß also etwas über 300 liegen. Eine Serie von Kennliniengebermarken auf der dritten Geberspur 56 muß ebenfalls ungefähr 300 Marken enthalten. Dies läßt sich bei fotoelektrischen Drehzahlgebern erreichen.

Wenn man mit einer kleineren Markenzahl beim Kennliniengeber auskommen will, muß man dementsprechend mehr Marken auf der Drehzahlgeberspur 55 vorsehen oder dem Oszillator 26 einen Frequenzteiler nachschalten.

Die Impulsformerschaltung 14 nach Fig. 1 ist nur als Beispiel angegeben. Man kann ebenso die Ausgangsimpulse der Spule 13 bzw. der Fotozelle 58 direkt in Rechteckimpulse umsetzen und die Drehzahlgeberimpulse dann in bekannter Weise in zwei verschiedene Zeitraster einbringen. Es muß auf jeden Fall gewährleistet sein, daß zuerst der Zählerendstand in den Endstandspeicher 28 übernommen und dann erst der Periodendauerzähler 27 wieder auf seinen Anfangsstand ZOl geladen wird.

Die beschriebene Schaltungsanordnung löst also die eingangs gestellten Aufgaben. Es werden ausschließlich integrierte Bausteine der digitalen Schaltungstechnik verwendet, so daß keinerlei Abgleicharbeiten erforderlich werden und sich keine Alterungseinflüsse auswirken können. Besonders günstig ist es, daß es drei Möglichkeiten gibt, zusätzliche Betriebsparameter bei der Bestimmung des Zündwinkels zu berücksichtigen, nämlich erstens die Zählfrequenz des Periodendauerzählers 27, zweitens die Adresse des Anfangsstandspeichers 4l und drittens die Adresse des Anfangsstandspeichers 42. In der obigen Beschreibung wurde stets auf die Auslösung des Zündvorganges Bezug genommen. Die gleiche Schaltungsanordnung kann ebenso zur Einstellung des Einspritzzeitpunktes oder bei elektrohydraulisch gesteuerten Einlaß- und Auslaßventilen zur Einstellung des Öffnungszeitpunktes und des Schließzeitpunktes der Ventile herangezogen werden. Je nach der Verteilung der Kennliniengebermarken über den Umfang des Zahnrades 31 oder der Geberspur 56 lassen sich beliebige Drehzahl-Verstellkennlinien nachbilden.

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Claims

Robert Bosch GmbH 9 ? Λ R ^ ? ^ ^R· 1730

Stuttgart "^4ÜJJO

Ansprüche

Digitale Schaltungsanordnung zur Auslösung eines Betriebsvorganges, insbesondere des Zündvorganges einer Brennkraftmaschine bei einem durch Betriebsparameter der Brennkraftmaschine bestimmten Kurbelwellenwinkel, gekennzeichnet durch

a) einen Impuls-Drehzahlgeber (10), der eine Folge von Impulsen abgibt, deren zeitlicher Abstand von einem Periodendauerzähler (27) bestimmt und in einem Endstandspeicher (28) als Binärzahl gespeichert wird,

b) einen Kennliniengeber (30), der eine Folge von Impulsen abgibt, die ungleichförmig über den von der Kurbelwelle durchlaufenen Winkel verteilt sind und von einem Kennlinienzähler (355) gezählt werden, und

c) einen Binärzahlen-Vergleicher (,39) 3 der den Betriebsvorgang auslöst, sobald der Zählerstand des Kennlinienzählers (35) und die im Endstandspeicher (28) stehende Binärzahl gleich groß sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Periodendauerzähler ein Anfangsstandspeicher (4l) vorgeschaltet ist, daß beim Auftreten eines Drehzahlgeberim-

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pulses zuerst der Zählerendstand des Periodendauerzählers (27)

daß in den Endstandspeicher (28) übernommen wird und/Üer Periodendauerzähler unmittelbar darauf den Speicherwert des Anfangsstandspeichers (41) übernimmt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangsstandspeicher (41) als Lesespeicher ausgebildet ist und daß dem Adresseneingang (4j5) des Anfangsstandspeichers (41) eine Binärzahl (Za) zuführbar ist, deren Wert von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängt.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder ~5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zähleingang (z) des Periodendauerzählers (27) ein Oszillator (26) vorgeschaltet ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorfrequenz in Abhängigkeit von wenigstens einem der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine veränderbar ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (26) als LC-Oszillator mit einem Schwingkreis (24, 25) ausgebildet ist und daß in der Spule (24) ein Ferritkern (23) beweglich angeordnet ist, der mechanisch mit einer Unterdruck-Meßdose (20) verbunden ist.

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7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern (23) eine konische Form aufweist.
8. Schaltungsanordnung nach'einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kennlinienzähler (35) ein Anfangsstandspeicher (42) vorgeschaltet ist und daß ein Ladeeingang (l) des Kennlinienzählers (35) mit einem Bezugsimpulsgeber (36, 37) verbunden ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangsstandspeicher (42) als Lesespeicher ausgebildet ist, dessen Adresseneingang (44) eine Binärzahl (Zb) zuführbar ist, deren Wert von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine abhängt.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Periodendauerzähler (27) und der Kennlinienzähler (35) als Rückwärtszähler ausgebildet .sind.
11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Periodendauerzähler (27) und der Kennlinienzähler (35) als Vorwärtszähler ausgebildet sind.
12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem der Adresseneingänge (43, 44) ein Schwellwertschalter (45) vorgeschaltet ist, dessen

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Schaltzustand durch die Temperatur des Motorblockes bestimmt ist.
13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlgeber (10) und der Kennliniengeber (30) als elektromagnetische Geber ausgebildet sind, die je ein Zahnrad (11 bzw. 31) mit ferromagnetischen Zähnen enthalten, wobei beim Zahnrad (11) die Zähne gleichmäßig und beim Zahnrad (31) ungleichmäßig über den Umfang verteilt sind.
14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis I3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsimpulsgeber als Schalter (36) ausgebildet ist, der von einem synchron zur Kurbelwellendrehzahl angetriebenen Nocken (37) periodisch geöffnet und geschlossen wird.
15· Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlgeber (10), der Bezugsimpulsgeber und der Kennliniengeber (30-) als fotoelektrische Geber ausgebildet sind, bei denen jeweils der Strahlengang zwischen einer Lichtquelle und einer Fotozelle periodisch geöffnet und unterbrochen wird.
16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Kurbelwelle angetriebene lichtdurchlässige Scheibe vorgesehen ist, die auf drei Geberspuren {5^, 55* 56)

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lichtundurchlässige Marken enthält, und daß den drei Geberspuren (54, 55, 56) drei Fotozellen (57, 58, 59) zugeordnet sind, die als Bezugsimpulsgeber, Drehzahlgeber und Kennliniengeber dienen. ky

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