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Verfahren und Einrichtung zum sicheren Schalten von
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elektromagnetischen Stellwerken, insbesondere Magnetventilen bei Brennkraftmaschinen
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Steuern von Magnetventilen
bei einer Brennkraftmaschine. Bekannt ist, zum schnellen Anzug und damit zum schnellen
Öffnen von Magnetventilen anfangs einen hohen Strom durch das Magnetventil zu schicken,
der dann nach dem öffnen des Ventils auf den sogenannten Haltestrom zurückgenommen
wird. Wenn somit ein Magnetventil schnell öffnen soll, ist ein großer Energiespeicher
zum Bereitstellen der Anzugsenergie erforderlich. Damit ist ein relativ hoher Kostenaufwand
verbunden, und es ist eine der Aufgaben der
Erfindung, ein Verfahren
und eine möglichst kostengünstige Einrichtung zum schnellen Schalten von insbesondere
Magnetventilen zu schaffen.
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Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren nach dem Hauptanspruch
hat den Vorteil, daß die für das Öffnen eines elektromagnetischen Stellwerks, insbesondere
Magnetventils, erforderliche Energie sehr klein gehalten werden kann und trotzdem
ein sicheres und zeitexaktes Schalten des Stellwerks möglich ist.
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Der Gegenstand des Vorrichtungsanspruchs gibt eine besonders einfache
Realisierungsmöglichkeit des im Hauptanspruch genannten Verfahrens an.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im ersten Sachanspruch angegebenen Einrichtung
möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn zur Sicherung der Stromschaltelemente
für das Magnetventil parallel zu diesen Schaltmitteln Dioden-Widerstands-Kombinationen
liegen, weil dann bei einem möglichen Kurzschluß des Magnetventils kein unzulässig
hoher Strom durch die Sehaltmittel fließt.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Magnetventil
ist
in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen Figur 1 ein Impulsdiagramm einer Magnetventil-Spannung sowie des durch
die Magnetwicklung fließenden Stromes und Figur 2 eine Realisierungsmöglichkeit
zur Durchführung des Verfahrens zum sicheren Schalten von Magnetventilen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Figur 1 zeigt das Impulsverhalten
des Signals über einem und durch ein Magnetventil bei einer Brennkraftmaschine,
das speziell zur Schubabschaltung bei Vergaseranlagen dient. Dabei -zeigt Figur
1a die an der Magnetwicklung anliegende Spannung und Figur Ib den durch diese Magnetwicklung
fließenden Strom. Erkennbar ist aus Figur la ein Abfall der Spannung bei Beginn
des Schubbetriebes (ta) und ein Spannungsanstieg kurze Zeit danach. Am Ende des
Schubbetriebes (te) wird die Spannung über dem Magnetventil überhöht, um ein sicheres
Anziehen und damit ein sicheres Schalten zu erreichen. Diese Erhöhung ist nur kurzzeitig
wirksam im Sinne einer Speicherentladung; die Spannung fällt anschließend wieder
ab auf die normale Betriebsspannung UB.
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Entsprechend zeigt Figur 1b den Stromfluß durch die Erregerwicklung
des Magnetventils. Die Kurve entspricht im
wesentlichen dem Verlauf
des Diagramms von Fig 1, jedoch sind die Flanken aufgrund des physikalischen Zusammenhangs
von Strom und Spannung in einer Induktivität verschliffen. Fig. 1b macht deutlich,
welche Abschaltzeit der Spannung im Anschluß an den Beginn des Schubbetriebes erforderlich
ist, um das Magnetventil sicher abfallen zu lassen. Danach muß der Stromfluß durch
die Erre° gerwicklung in jedem Fall so weit abgesenkt werden9 daß das Magnetventil
schließt. Gewährleistet ist dies in jedem Falle dann, wenn die Zeitdauer des Aussetzens
der Spannung solange gewählt wird, daß der Erregers strom - auch in Verbindung mit
einem Freilaufkreis -auf Null absinkt.
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Die Höhe des Stromes IUB entspricht dem Haltestrom für das Magnetventil.
Dieser Haltestrom reicht jedoch nicht aus, um das Magnetventil im Schiebebetrieb
zu öffnen, da dafür eine erhöhte Energie zufuhr erforderlich ist. Der bffnungsstrom
muß deshalb zusätzlich zum Haltestrom aufgebracht werden, was während der Zeit des
Anliegens der erhöhten Spannung der Fall ist, in der der Ventiletrom auf 1max ansteigt.
Mit zwei waagerecht gestrichelten Linien für den Anzugsstrom und den Abfallstrom
(I Anzug und I Abfall) wird dies verdeutlicht. Fig. lb zeigt somit das Hystereseverhalten'
im Schaltverhalten des Magnetventils.
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Eine Schaltungsanordnung zur Realisierung der in Fig pa und 1b dargestellten
Kurvenverläufe zeigt Fig 2. Dort ist mit 10 das elektrische System eines Magnetventils
gezeichnet, dem eine Signalsteuereinrichtung vorangestellt ist, die abhängig vom
Auftreten des Schubbetriebes der Brennkraftmaschine arbeitet
Im
einzelnen ergibt sich folgender Aufbau.
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An einer Eingangsklemme 11 liegt ein Drehzahlsignal an, das z.B. vom
Zündschalter abgenommen sein kann und demzufolge in der Frequenz proportional der
Zündhäufigkeit ist. Diesem Eingang ist ein Widerstand 12, eine Diode 13 sowie eine
Zenerdiode 14 nachgeschaltet. Es folgt ein Widerstand 15, der eingangsseitig Uber
einen Kondensator 16 und ausgangsseitig über einen Widerstand 17 mit einer Masseleitung
18 gekoppelt ist. Der Verknüpfungspunkt der beiden Widerstände 15 und 17 ist zur
Basis eines Transistors 20 geführt, der emitterseitig unmittelbar an Masse liegt
und dessen Kollektor über einen Widerstand 21 zu einem Verknüpfungspunkt 22 geführt
ist. Dieser Verknüpfungspunkt 22 steht nun über einen Widerstand 23 mit einer Plus
leitung 24 in Verbindung; ferner führt eine Parallelschaltung von Kondensator 25
und Diode 26 an Masse, und schließlich folgt eine Reihenschaltung von Diode 27 und
Widerstand 28 zur Basis eines Transistors 29. Eingangsseitig ist der Widerstand
28 über einen Kondensator 30 und ausgangsseitig über einen Widerstand 31 mit der
Masseleitung 18 verknüpft.
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Der Transistor 29 ist emitterseitig über einen Widerstand 33 an Masse
gelegt und ferner über eine Reihenschaltung von Widerstand 34 und dreier Dioden
35 bis 37 mit der Plus leitung 24 verbunden. Ein Kondensator 38 liegt der Kollektor-Basis-Strecke
dieses Transistors 29 parallel. Der Kollektor des Transistors 29 ist über einen
Widerstand 40 und einen vom Unterdruck im Luftansaugrohr betätigbaren Schalter 41
mit Masse verbindbar, darüber hinaus liegt dieser Kollektor über eine
Reihenschaltung
zweier Widerstände 42 und 43 an der Plusleitung 24. Ein Transistor 44 ist mit seiner
Basis an der Verbindungsstelle der beiden Widerstände 42 und 43 angeschlossen, er
liegt emitterseitig an der Plusleitung 24, während der Kollektor einmal über eine
Zenerdiode 45 mit der Verbindungsstelle der beiden Dioden 36 und 37 gekoppelt ist
und ferner mit einem Verbindungspunkt 46. Dieser Verbindungspunkt 46 steht über
einen Widerstand 47 mit der Basis des Transistors 29, über eine Reihenschaltung
zweier Widerstände 48 und 49 mit Masse und über eine Diode 50 und einen Kondensator
51 mit einer zum Magnetventil 10 führenden Leitung 52 in Verbindung. Die Verbindungsstelle
von Diode 50 und Kondensator 51 ist noch über einen Widerstand 53 an Masse gelegt.
Außerdem führt von der Verbindungsstelle der beiden Widerstände 48 und 49 ein Kondensator
54 zu einem Verbindungspunkt 55, der wiederum einen Spannungsteilerpunkt zweier
Widerstände 56 und 57 zwischen der Plus leitung 24 und der Masseleitung 18 darstellt
und von dem eine Diode 59 zur Verbindungsleitung 52 und eine Diode 60 zur Basis
enes -emitterseitig an Masse liegenden Transistors 61 geführt ist. Kollektorseitig
liegt der Transistor 61 Über eine Reihenschaltung zweier Widerstände 62 und 63 an
der Plusleitung 24, wobei der Verbindungspunkt der beiden Widerstände 62 und 63
mit der Basis eines Schalttransistors 64 gekoppelt ist. Der Emitter des Transistors
64 liegt direkt an der Plusleitung 24, während dessen Kollektor geber eine Diode
65 mit der Verbindungsleitung 52 in Verbindung steht. Parallel zum Nagnetventil
10 liegt eine Freilaufdiode 67. Ferner führt von der Verbindungsleitung 52 ein Widerstand
68 zu einem Verknüpfungspunkt 69, der einmal über eine Diode 70
mit
der Basis des Transistors 29 und über einen Widerstand 71 mit der Verbindungsstelle
von Diode 35 und Widerstand 34 verbunden ist.
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Die Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung
ist wie folgt.
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Das Magnetventil 10 sei geöffnet, da seine Erregerwicklung stromdurchflossen
ist. Das setzt einen leitenden Transistor 64 sowie einen leitenden Transistor 61
voraus.
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Entsprechend muß das Verhältnis der beiden Widerstände 56 und 57 gewählt
sein, um den Transistor 61 fortlaufend durchgesteuert zu halten. Bei Beginn des
Schubbetriebes wird der Transistor 61 und damit auch der Transistor 64 gesperrt,
was eine Spannungsabsenkung am Verbindungspunkt 46 erfordert. Dies wiederum setzt
eine Unterbrechung des Stromflusses im Transistor 44 voraus, die dadurch bewerkstelligt
wird, daß der Schalter 41 öffnet.
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Die Drehzahl des Motors ist dabei als so hoch angenommen, daß der
Transistor 29 gesperrt ist. Somit ist bei Beginn des Schubbetriebes, d.h. der Rückkehr
der Drosselklappe in die Leerlaufstellung, eine Unterbrechung des Stromflusses durch
das Magnetventil 10 gewährleistet.
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Der Drehzahlabhängigkeit des zuvor beschriebenen Vorgangs dient die
Eingangsschaltung mit den beiden Transistoren 20 und 29 sowie den verschiedenen
RC-Gliedern. Das drehzahlabhängige Eingangssignal am Eingang 11 steuert den Transistor
20 im Takt der Zündimpulse leitend. Da die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors
20 dem Speicherkondensator 25 parallel geschaltet ist, der fortlaufend über den
Widerstand 23 aufgeladen wird, fließt über die Diode 27 nur zeitweise ein Ladestrom
auf den Kondensator 30. Die Spannung am Kondensator 30 ist nur unterhalb
einer
bestimmten Drehzahl so hoch, daß der Transistor 29 leitend wird. Der Transistor
29 sperrt entsprechend bei höheren Drehzahlen. Deshalb ist das öffnen und Schließen
des Schalters 41 nur dann von Belang, wenn die Brennkraftmaschine höhere Drehzahlen
aufweist und somit der Transistor 29 gesperrt ist.
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Bei Beginn des Schubbetriebes wurde der Schalter 41 geöffnet, der
Transistor 44 in seinen Sperrzustand gesteuert und über den Kondensator 54 auch
entsprechend die Transistoren 61 und 64 gesperrt. Nach Ablauf der Endladezeit des
Kondensators 54 nimmt das Basispotential des Transistors 61 wieder einen so hohen
Wert an, daß dieser Transistor durchschaltet, folglich auch der Transistor 64 und
infolgedessen wird das Magnetventil 10 wieder an Betriebsspannung gelegt. Diese
Spannung reicht nun jedoch nicht aus, das Magnetventil zu öffnen, vielmehr wird
es in einer Art 11Wartestellung1 gehalten, bis entweder die sogenannte Wiedereinsetzdrehzahl
unterschritten wird oder jedoch die Drosselklappe öffnete Während dieser Wartestellung
für das Magnetventil 10 lädt sich der Kondensator 51 annähernd auf Betriebsspannung
auf.
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Steuert die Bedienungsperson des Fahrzeugs die Drosselklappe auf,
dann schließt der Schalter 41 und steuert seinerseits den Transistor 44 leitend.
Der Spannungsprung an der Verbindungsstelle 46 wird Wo er die Diode 50 auf den Kondensator
51 übertragen, der seinerseits diesen Sprung auf die Verbindungsleitung 52 weitergibt.
Infolgedessen ergibt sich Über dem Magnetventil 10 eine kurzzeitige Spannungsüberhöhung
entsprechend der Darstellung
von Fig. la und entsprechend eine
Stromerhöhung in der Erregerwicklung des Magnetventiles.
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Den gleichen Effekt wie ein Schließen des Schalters 41 beim Öffnen
der Drosselklappe bewirkt auch ein Unterschreiten der Drehzahl unter die sogenannte
Wiedereinsetzdrehzahl, bei der der Transistor 29 leitend gesteuert wird.
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Die Zeitdauer der Spannungsüberhöhung richtet sich nach dem Zeitverhalten
des den Kondensator 51 beinhaltenden Schaltungsteils der Anordnung von Fig. 2, da
im Anschluß an eine Spannungsüberhöhung Ausgleichsvorgänge für die Kondensatorladung
stattfinden. Die sich im Ruhezustand einstellende Spannung über dem Magnetventil
10 entspricht im wesentlichen der Batteriespannung, und dieses Potential reicht
aus, um das einmal geöffnete Magnetventil auch geöffnet zu halten. Eine Änderung
des Zustands des Magnetventils 10 tritt erst dann wieder auf, wenn der Schalter
41 wieder geöffnet wird und somit über den Kondensator 54 die Transistoren 61 und
64, wenn auch nur kurzzeitig, gesperrt werden.
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Bei einem versehentlichen Kurzschluß des Magnetventil-Anschlusses
nach Masse, z.B. bei Arbeiten an der Anlage bei nicht abgeschalteter Zündung, wird
der Endstufentransistor 64 dadurch vor Zerstörung bewahrt, daß die Dioden 59 und
70 leitend werden, was ein Sperren der Transistoren 29 und damit 44 sowie 61 und
damit 64 zur Folge hat.
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Zusammengefaßt gewährleistet die vorstehend besehriebene Schaltungsanordnung
ein sicheres Schalten eines elektromagnetischen Stellwerks, wobei durch zusätzliche
Maßnahmen ein Schutz des Endstufentransistors im Kurzschlußfalle des Stellwerks
sichergestellt ist.
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Die Anwendung des Gegenstandes der Erfindung ist sehr allgemein, d.h.,
er ist überall dort anwendbar, wo elektromagnetische Stellwerke wie Magnetventile
oder Hubmagnete schnell, sicher und möglichst leistungsarm gesteuert werden sollen.
Stellvertretend für die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten sei die Ansteuerung von
elektromagnetischen Einspritzventilen genannt.
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Verfahren und Einrichtung zum sicheren Schalten von elektromagnetischen
Stellwerken, insbesondere Magnetventilen bei Brennkraftmaschinen Zusammenfassung
Es wird ein Verfahren zum sicheren Schalten von elektromagnetischen Stellwerken,
insbesondere Magnetventilen bei Brennkraftmaschinen vorgeschlagen; das dadurch gekennzeichnet
ist, daß nach Ende der gewünschten Anzugszeit das elektromagnetische Stellwerk für
eine einen sicheren Abfall gewährleistende Zeitdauer stromlos gesteuert wird, anschließend
ein Stromfluß einsetzt, der das Stellwerk vorzugsweise gerade noch nicht ansprechen
läßt und zum gewünschten Anzugs zeitpunkt ein Zusatzsignal an die Erregerwicklung
des Stellwerks angelegt wird. Das Verfahren ermöglicht es, das Stellwerk sozusagen
in einer Wartestellung zu halten, in der es zwar noch nicht angezogen hat, jedoch
ein geringer Zusatzimpuls ein Anziehen des Stellwerkankers bewirkt. Die Einrichtung
zur Durchführung des Verfahrens umfaßt in Reihe zum Stellwerk einen elektrischen
Schalter, der sein betriebskenngrößenabhängiges Ansteuersignal aus einem Zeitglied
erhält sowie einen Speicher, aus dem zu'vorbestimmbaren Zeitpunkten und/oder Betriebskenngrößen
ein Zusatzsignal der Erregerwicklung zuführbar ist.
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