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Treibstoff - Verbrauchsmeßgerät
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Die Erfindung betrifft ein Treibstoff - Verbrauchsmeßgerät für Fahrzeuge,
die von Motoren angetrieben werden, welche mit flüssigen oder gasförmigen Treibstoffen
direkt oder indirekt gespeist werden, insbesondere für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren.
Der Zweck derartiger Verbrauchsmeßgeräte besteht darin, dem Benutzer eines Kraftfahrzeuges
während der Fahrt jederzeit Auskunft über den augenblicklichen Kraftstoffverbrauch
zu geben.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 4?3 051 ist ein derartiges
Verbrauchsmeßgerät bekannte Dieses Gerät besteht aus einem Geschwindigkeitsgeber,
der ein der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionales Signal liefert, einem Durchflußgeber,
der ein der verbrauchten Treibstoffmenge pro Zeiteinheit proportionales Signal liefert,
aus einer elektronischen
Schaltung zur Verarbeitung dieser Signale
und einem Anzeige-organ, welches das Ergebnis dieser Operationen zur Anzeige bringt.
Der Geschwindigkeitsgeber ist bei dem Gerät nach der DU-OS 1 473 051 ein Tachogenerator,
der eine der Geschwindigkeit des Fahrzeuges proportionale Spannungsamplitude liefert,
die zur Ladung eines Meßkondensators benutzt wird. Der Duthflußgeber besitzt eine
sich drehende Welle, die einen Unterbrecherkontakt antreibt, der die verschiedenen
Phasen der Messung steuert, nämlich die Dauer der Aufladephase des Meßkondensators,
die Dauer der Anzeigephase der Spannung des Meßkondensators sowie die Dauer seiner
Entladephase. Das Anzeigeinstrument zeigt die zurücklegbare Wegstrecke pro Kraftstoffmenge,
z0B0 Kilometer pro Liter an, also eine Größe, die dem normalen Fahrzeugbenutzer,
der die Verbrauchsgröße "Liter pro 100 km" gewohnt ist, nicht geläufig ist und auch
nur in seltenen Fällen interessiert.
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Für das Gerät wird außerdem ein aufwendiger und teuerer Geschwindigkeitsgeber
benötigt, der eine der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionale Gleichspannung (Analogsignal)
liefert und der nachträglich nur mit erheblichem Aufwand eingebaut werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbrauchsmeßgerät zu
schaffen, welches die Nachteile bekannter Geräte vermeidet, welches insbesondere
die dem normalen Fahrzeugbenutzer
geläufige Verbrauchsgröße 'tKraftstoffmenge
pro Wegeinheit" z.B. Liter pro 100 km anzeigt und sich leichter zum nachträglichen
Einbau in Kraftfahrzeuge eignet, Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von einem
Verbrauchsmeßgerät aus, bestehend aus einem Geschwindigkeitsgeber, der ein der Fahrzeuggeschwindigkeit
proportionales Signal liefert, einem Durchflußgeber der ein der verbrauchten Treibstoffmenge
pro Zeiteinheit proportionales Signal liefert sowie einer elektronischen Schaltung
zur Verarbeitung dieser Signale.
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Die Erfindung besteht darin, daß bei den sowohl vom Durchflußgeber
als auch vom Geschwindigkeitsgeber gelieferten elektrischen Signalen nur die Frequenz
proportional der jeweils zu messenden Größe ist, daß das elektrische Signal des
Durchflußgebers einer monostabilen Kippstufe zugeführt wird, die Impulse konstanter
Amplitude und Zeitdauer mit der Frequenz des Eingangssignals erzeugt, die in einem
Tiefpaß in ein Gleichspannungssignal umgewandelt werden, das einen Spannungs - Strom
- Konverter steuert, dessen Strom einen Impulsformer-Kondensator auflädt, daß das
elektrische Signal des Geschwindigkeitsgebers einer Rechtimpulsformerstufe zugeführt
wird, die Rechteckimpulse mit der Frequenz des Eingangssignals erzeugt, deren Flanken
in dem Differenzierglied in sehr kurze Spannungsimpulse umgewandelt werden, wobei
die positiven Spannungsimpulse den in Ruhestellung
nichtleitenden
elektronischen Schalter kurzzeitig leitend steuern, wodurch der Impulsformer - Kondensator
jedesmal abrupt entladen wird, daß der Kondensator mit einem Spitzenwertgleichrichter
verbunden ist, an dessen Ausgang eine Gleichspannung entsteht, die dem Spitzenwert
der Impulsspannung des Kondensators entspricht und daß an den Ausgang des Spitzenwertgleichrichters
ein Spannungsmesser angeschlossen ist, dessen Anzeige in Treibstoffmenge pro Wegeinheit
geeicht ist. Die Schaltung nach der Erfindung hat den Vorteil, daß sowohl vom Durchflußgeber
als auch vom Geschwindigkeitsgeber nur wesentlich einfacher zu gewinnende Digitalsignale
benötigt werden, aus welchen dann der Quotient gebildet und am Ausgang eine kontinuierliche
Spannung erzeugt wird, deren Amplitude proportional dem augenblicklichen Kraftstoffverbrauch
pro Wegeinheit ist und die an einem entsprechend, z.B. in "Liter pro 100 km" geeichten
Anzeigeinstrument zur Anzeige gebracht werden kann0 In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt0 Es zeigen: Fig. 1 das Prinzipschaltbild des Verbrauchsmeßgerätes
Fig. 2 Spannungszustände am Impulsformerkondensator Fig1 X ein konkretes Schaltbild
des Verbrauchßmeßgerätes Die Erfindung soll zunächst anhand des in Figur 1 dargestellten
Prinzipschaltbildes
näher erläutert werden. Der Durchflußgeber (1) besteht aus einer kleinen Flügelradturbine
sowie einer Lichtquelle mit Fotozelle0 Das Flügelrad der Turbine befindet sich im
Lichtstrahl, der von der Lichtquelle zur Fotozelle verläuft und erzeugt dadurch,
daß die Turbinenflügel den Lichtstrahl periodisch unterbrechen, ein elektri sches
Impulssignal, dessen Impulsfolgefrequenz proportional der Kraftstoff-Durchflußmenge
pro Zeiteinheit ist. Das Impulssignal wird einer monostabilen Kippschaltung (2)
zugeführt, die Spannungsimpulse konstanter Amplitude und Zeitdauer mit der Frequenz
des Impulssignals erzeugt. Diese Spannungsimpulse werden an den Tiefpaß (3) angelegt,
an dessen Ausgang eine Gleichspannung entsteht, deren Amplitude dem Gleichstrommittelwert
der Spannungsimpulse entspricht.
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Diese Gleichspannung ist somit proportional der Impulsfolgefrequenz
des Signals des Durchflußgebers und damit auch proportional der augenblicklich verbrauchten
Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit. Die Gleichspannung wird in der Spannung -in - Strom
Konverterstufe (4) in einen proportionalen Strom umgewandelt, der dem Impulsformerkondensator
(9) zugeführt wird.
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Der Geschwindigkeitsgeber (5), Z!2* eine einfache Spule, in der von
dem rotierenden Magneten eines Kraftfahrzeugtachometers eine Wechselspannung induziert
wird, liefert ein
elektrisches Wechselsignal, dessen Frequenz proportional
der Fahrzeuggeschwindigkeit ist. Dieses Wechselsignal wird in der Impulsformerstufe
(6), z.B. einem Schmitt-Trigger in eine Rechteckspannung gleicher Frequenz umgewandelt.
In dem Differenzierglied (7) werden von den Flanken der Rechteckspannang kurze Spannungsimpulse
gewonnen. Mit den positiven Spannungsimpulsen wird der in Ruhestellung gesperrte
elektronische Schalter (8) kurzzeitig leitend gesteuert, so daß er dabei jedesmal
den Impulsformerkondensator (9) abrupt entlädt. Die Frequenz der Entladungen ist
also proportional der Frequenz der Geschwindigkeitsgeber - Wechselspannung und damit
proportional der Fahrzeuggeschwindigkeit selbst. An dem Impulsformerkondensator
(9) entsteht deshalb eine kontinuierliche sägezahnförmige Spannung, deren Spitzenamplitude
proportional dem momentanen Treibstoffverbrauch pro Wegstrecke ist. Dies ist aus
folgender Ableitung ersichtlich: Es ist C = Kapazität des Impulsformerkondensators
(9) i = zur Flußmenge pro Zeiteinheit proportionaler Strom im Impulsformerkondensator
(9) QT = verbrauchte Treibstoffmenge pro Zeiteinheit r L Wegstrecke t = Zeiteinheit
= Fahrzeuggeschwindigkeit fs = Schaltfrequenz des elektronischen Schalters (8) proportional
der Fahrzeuggeschwindigkeit
1 TS = = Periodendauer der Schaltfrequenz
fS U = Spitzenwert der Sägezahnspannung des Impulsformerkondensators (9) k2 und
k2 = Hilfskonstanten Für die Spitzenspannung U am Impulsformerkondensator (9) gilt;
| A i.T |
| 5 |
| U = ~~~~~~~ - ferner ferner gilt für i und T5 |
| C Q |
| i = k1 |
| L |
| fs= k2.- |
| t |
| 2 ~ 1 t A |
| . k2 II - II zu-I i und T5 in U eingesd;zt, ergibt: |
| f5 k2 L |
| k1. 1 t |
| A k1- k1 |
| U = |
| C k2. L |
| k1 |
| Hierin ist - - eine Konstante und |
| k20 C |
QT = verbrauchte Kraftstoffmenge L Wegstrecke als ist U proportional Treibstoffverbrauch
pro Wegeinheit In Fig. 2 sind die Sägezahnspannungen am Impulsformerkondensator
(9) für verschiedene Betriebszustände des Fahrzeuges wiedergegeben. Es bedeuten:
a
) mittlere Geschwindigkeit, mittlerer Treibstoßfverbrauch b ) hohe " , hoher c)
niedrige " , niedriger " d) niedrige " , mittlerer " Die Sägezahnspannung des Impulsformerkondensators
(9) wird (10) mit dem Spitz enwertgleichricht er in eine proportionale Gleichspannung
umgewandelt, die mit dem in Menge pro Wegeinheit zO B. Liter pro 100 km geeichten
Anzeigeorgan (11) angezeigt wird.
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In Fig. 3 ist ein konkretes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verbrauchsmeßgerätes dargestellt. Die Kennzeichnung der Funktionsgruppen entspricht
der des Prinzipschaltbildes in Fig. 1. Der Durchflußgeber (1) ist auch hier eine
kleine Turbine, die in die Kraftstoffleitung zum Motor eingefügt wird. Sie besitzt
eine in der Zeichnung nicht wiedergegebene Lichtschranke, die durch die Flügel des
sich drehenden Turbinenrades unterbrochen wird, so daß am Ausgang Spannungsimpulse
mit einer Frequenz proportional der Flußmenge pro Zeiteinheit entstehen. Die monostabile
Kippschaltung (2) besteht aus einem monostabilen Multivibrator, der Tiefpaß (3)
-aus einem RC - Glied, der Spannungs - in - Strom -Konverter (4) aus einer Transistorstufe
mit starker Emittergegenkopplung und der Geschwindigkeitsgeber (5) aus einer Spule,
die so am Fahrzeugtachometer befestigt wird, daß der
rotierende
Tachometermagnet in ihr eine Wechselspannung induziert. Die Frequenz dieser Wechselspannung
ist proportional der Fahrzeuggeschwindigkeit0 Die Impulsformerstufe (6) ist ein
Schmitt - Trigger mit zwei antiparallel geschalteten Überspannungs-Schutzdioden
am Eingang. Das Differenzierglied (7) besteht aus einem RC-Glied und der elektronische
Schalter (8) aus einem Transistor. (9) ist der Impulsformerkondensator. Der Spitzenwertgleichrichter
(10) besteht aus dem Transistor TS an dessen Emitter der Ladekondensator CL geschaltet
ist und das Anzeigeorgan (11) aus einer Emitter-Trans ist orstufe zur belastungsfreien
Abfrage der Spannung des Ladekondensators CL , die das in Treibstoffmenge pro Wegeinheit
geeichte Anzeigeinstrument IA ansteuert.
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Die dargestellte erfindungsgemäße Schaltung weist noch zwei Besonderheiten
auf, die für den nachträglichen Einbau des Gerätes in Fahrzeuge bzw. für den praktischen
Betrieb von wesentlichem Vorteil sind : Der Einstellwiderstand RE , der den Umwandlungsfaktor
in dem Spannung - in - Strom - Konverter (4) beeinflußt, gestattet in Verbindung
mit dem Schalter am Ausgang der monostabilen Kippschaltung (2) eine nachträgliche
einfache Eichung bzw. Anpassung des Verbrauchsmeßgerätes an den jeweiligen Fahrzeugtyp
und vor allem zur Berücksichtigung unterschiedlicher Tachometerkonstanten. Zur Eichung
des Gerätes im Fahrzeug ist es lediglich notwendig, mit dem Fahrzeug eine bestimmte
vorgegebene Geschwindigkeit
zaBo 80 km pro Stunde zu fahren, dabei
wird der Schalter SS betätigt und damit mit dem Widerstand RV ein bestimmter Kraftstoffverbrauch
simuliert. Nun ist nur noch mit dem Einstellwi<lerstand RE der in der Betriebsanleitung
des Verbrauchsmeßgerätes angegebene Eichwert am Anzeigeinstrument IA einzustellen
und damit ist das Verbrauchsmeßgerät für den betreffenden Fahrzeugtyp geeicht.
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Bei häufigem schnellen Wechsel der Betriebsbedingungen des Fahrzeuges,
z.B. bei häufig aufeinanderfolgenden Bremsen und Beschleunigen im Stadtverkehr kann
das schnelle Hin-und Herpendeln des Zeigers vom Anzeigeinstrument sehr störend sein.
Es ist deshalb zweckmäßig , die Änderungsgeschwinaigkeit des Zeigerausschlages bei
abrupten Änderungen des Dreibstoffverbrauches zu verringern. Dies wird gemäß der
Schaltung durch zwei Maßnahmen erreicht: In dem Spitzenwertgleichrichter (10) wird
der Ladekondensator CL über den Transistor auf den jeweiligen Spitzenwert der Sägezahnspannung
des Impulsformerkondensators (9) aufgeladen. Bei einer abrupten Verbrauchsminderung
verringert sich die Spitzenspannung am Impulsformerkondensator (9), damit erhält
der Ladekondensator CL vom Transistor T5 keine Ladung mehr und er entlädt sich nun
im wesentlichen über den Parallelwiderstand RL Damit wird die Entladegeschwindigkeit
und somit die Anderungsgeschwindigkeit des Zeigers in Richtung kleinerer Werte durch
die
Dimensionierung der Zeitkonstante RLOCL bestimmt. Bei einer abrupten Verbrauchssteigerun£
erhöht sich die Spitzenspannung am Impulsformerkondensator (9) schlagartig, was
zu einer kräftigen Ansteuerung des Transistors T5 führt. Dies hätte normalerweise
eine schnelle Aufladung des Ladekondensators CL und damit einen schnellen Zeigerausschlag
des Instrumentes zur Folge. Um dies zu vermeiden, wurde in Serie zur Kollektor -
Emitterstrecke des Transistors T5 die Kollektor - Emitterstracke des PNP - Transistors
TG geschaltet. Die Basis von tag liegt über den Widerstand RG an Masse.
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Er ist also im Normalzustand leitend und beeinflußt die Aufladung
von CL über T5 nicht. Gleichzeitig wird die Basis von TG über den Kondensator CG
mit der Spannung des Anzeigeinstrumentes verbunden. Tritt jetzt eine abrupte Erhöhung
der Spannung des Impulsformerkondensators (9) auf, so erhöht sich auch die Spannung
des Ladekondensators CL und damit die Spannung am Anzeigeinstrument. Dadurch wird
über den Kondensator CG der Basis von Transistor TG ein positiver Impuls zugeführt
und der Transistor wird gesperrt d.h. nichtleitend.
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Der Kondensator CL kann infolgedessen nicht weiter aufgeladen werden.
Erst wenn der Kondensator CG über den Widerstand RG soweit entladen ist, daß Transistor
TG wieder leitend wird, kann CL weiter aufgeladen werden. Dieser Vorgang wiederholt
sich kontinuierlich bis die Endspannung an CL und damit am
Anzeigeinstrument
erreicht ist. Die Aufladegeschwindigkeit vom Kondensator t und damit die Änderungsgeschwindigkeit
des Zeigerausschlages in Richtung grdßerer Werte, wird also durch die Dimensionierung
der Zeitkonstante CG J RG festgelegt. Die Schaltung gestattet es also, die Anderungsgeschwin
digkeit des Zeigerausschlages in Richtung kleinerer und in Richtung größerer Werte
unabhängig voneinander festzulegen.
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Das erfindungsgemäße Verbrauchsmeßgerät kann auch für Fahrzeuge mit
Antrieb durch einen Elektromotor verwendet werden, der seinen Strom von Brennstoffzellen
bezieht. Der Flußgeber mißt in diesem Falle den Brennstoffzufluß zu der Brennstoffzelle.
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Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf ein bestimmtes
Ausführungsbeispiel beschrieben, jedoch können selbstverständlich durchaus noch
eine Reihe von Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden, ohne daß hierdurch
der Rahmen der Erfindung überschritten wird
L e e r s e i t e