DE3139987A1

DE3139987A1 - Steuereinrichtung fuer einen elektromagnetischen verbraucher in einem kraftfahrzeug, insbesondere ein magnetventil oder ein stellmagnet

Info

Publication number: DE3139987A1
Application number: DE19813139987
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 7141 Möglingen Kosak; Hans Dipl.-Ing. 7015 Korntal Kubach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-10-08
Filing date: 1981-10-08
Publication date: 1983-04-28
Also published as: GB2107495A; DE3139987C2; GB2107495B; US4473861A; JPS5875809A

Description

17351 ³

20.8.1981 Mu/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1

Steuereinrichtung für einen elektromagnetischen Verbraucher in einem Kraftfahrzeug, insbesondere ein Magnetventil oder ein Stellmagnet

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Steuereinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Die DE-OS 27 θβ Η36 offenbart eine "Vorrichtung zur stromgeregelten Ansteuerung von elektromagnetischen Schaltsystemen". Beim dort beschriebenen Ausführungsbeispiel wird einem elektromagnetischen Einspritzventil zu Beginn ein hoher Strom zugeführt, der anschließend im Bereich des Haltestroms für das Magnetventil getaktet wird. Zur Realisation wird ein äußerst hoher Bauelementeaufwand benötigt. Es ist eine der Aufgaben der Erfindung, nach einer bezüglich des Aufbaus relativ einfachen Steuereinrichtung zu suchen, die jedoch trotzdem sehr gute Ergebnisse liefert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung' für einen elektromagnetischen Verbraucher mit dem Merkmal des Hauptanspruches weist bei minimalem Bauelementeaufwand ein sehr

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gutes Signalverhalten auf. Infolge dieses minimalen Auf— wandes erweist sich diese Steuereinrichtung auch als weniger störanfällig gegenüber der bekannten.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in folgendem näher beschrieben und erläutert. Es zeigen Figur 1 eine Steuereinrichtung für ein elektromagnetisches Einspritzventil, die Figuren 2 und 3 Impulsdiagramme zum Erläutern des Gegenstands von Figur T. In Figur k ist eine Steuereinrichtung für einen Stellmagneten-dargestellt und schließlich zeigt Figur 5 ein Impulsdiagramm der Steuereinrichtung, von Figur U.

Beschitei-timng der Ausführungsbeispiele

Die Ausführungsbeispiele betreffen sogenannte stromgeregelte Endstufen einmal in Verbindung mit einem elektromagnetischen Einspritzventil bei einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und einmal in Verbindung mit einem Stellmagneten, z.B. zum Einstellen der einzuspritsenzenden Kraftstoffmenge bei einer Diesel-Brennkraftmaschine· In Figur 1 ist mit 10 die Wicklung eines elektromagnetischen Einspritzventils gezeichnet, die in Reihe zu einem Schalttransistor 11 und einem Meßwiderstand 12 zwischen zwei Betriebsspannungsleitungen 13 und 1^t- liegt. Seine Ansteuerung erhält der Schalttransistor 11 ausgehend von einer Eingangsklemme 15 über einen Widerstand 16, einen Transistor 17 sowie einen weiteren Widerstand 18. Während die Basis des Transistors 17 über einen Widerstand 19 mit der Masseleitung 1^ gekoppelt ist,

steht sein Kollektor über einen Widerstand 20 mit der Plusleitung 13 in Verbindung. Parallel zur Wicklung 10 des Magnetventiles liegt eine Diode 21 in Reihe zu einem Freilaufsteuerkreis 22* Er umfaßt zwei Transistoren 23 und 2i+, einen Widerstand 25 sowie eine Diode 26. Sowohl die Diode 26, als auch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 2k liegen zwischen Ein- und Ausgangsanschluß des Freilaufsteuerkreises 22. Parallel zur Basis-Kollektor-Strecke des Transistors 2k liegt die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 23, dessen Basisanschluß mit einem Steuereingang 27 des Freilaufsteuerkreises 22 gekoppelt ist. Der Widerstand 25 innerhalb dieses Steuerkreises 22 verbindet schließlich den Basi'sanschluß mit dem Emitteranschluß des Transistors 2k.

Während an der Eingangsklemme 15 das invertierte Einspritzsignal aus einer nicht dargestellten, vorangehenden Signalerzeugerstufe anliegt, erhält eine Eingangsklemme 30 das nicht invertierte Einspritzsignal. Sie ist über einen Widerstand 31 mit einem Treibertransistor 32 verbunden, dessen Emitter unmittelbar und dessen Basis mittelbar über einen Widerstand mit der Masseleitung 1k gekoppelt ist, und dessen Kollektor über einen Widerstand 35 am Steuereingang 27 des Freilaufsteuerkreises 22 angeschlossen ist. Ein Widerstand 36 verbindet schließlich noch den Steuereingang 27 und den Kollektor des Schalttransistors 1 1 _a von dem wiederum eine Zenerdiode 37 gegen seine Basis geschaltet ist.

Eine Meßsignalleitung kO führt vom transistorseitigen Anschluß des Meßwiderstandes 12 über einen Widerstand 1*1 zum Pluseingang eines als Schwellwertschalters geschalteten Komparators 1*2. Des weiteren steht dieser Plus-Eingang über·einen Widerstand k3 mit der Plusleitung 13 und über eine Reihenschaltung zweier Dioden kk und 1*5 mit der Masseleitung 11* in Verbindung. Vom Ausgang des Kompara-

tors k2 führt ein Widerstand kj zur Plusleitung 13, ein Widerstand k8 zur Basis des Transistors lh und ein Kondensator k9 zur Verbindungsstelle der beiden Dioden kk und k-5· Sein Minus-Eingang ist über einen Widerstand 50 an der Verbindungsstelle eines Widerstandes 51 und einer Zenerdiode 52 zwischen den beiden Durchspannungsanschlüssen angeschlossen. Außerdem liegt er über einen Widerstand 53 an der Masseleitung 1U.

Während in Figur 1a das Gesamtschaltbild angegeben ist, zeigen die Figuren 1b und 1c weitere Möglichkeiten zur Realsierung des Freilaufsteuerkreises 22. Nach Figur 1b besteht der Freilaufsteuerkreis lediglich aus einer Darlington-Schaltungsanordnung ohne weitere Schaltungselemente. Figur 1c hingegen zeigt die prinzipiell gleiche Anordnung wie sie in Figur 1a dargestellt ist, mit Ausnahme der dort eingezeichneten Diode 26, die bei der Anordnung nach Figur Ic durch eine Zenerdiode 5^ ersetzt ist. Bei .Verwendung der in Figur 1c dargestellten Schaltungsanordnung läßt sich dann beim Gegenstand von Figur 1 die Zenerdiode 3^ sowie der Widerstand 18 in der Basisleitung zum Transistor 11 einsparen. Erklärt wird die Wirkungsweise der in Figur 1 dargestellten Steuereinrichtung zweckmäßigerweise anhand der Imp-ulsdiagramme von Figur 2 und 3.
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Das von einer Impulserzeugerstufe kommende Einspritzsignal für das elektromagnetische Einspritzventil ist in Figur 2a in invertierter Form und in Figur 2b in nicht invertierter Form dargestellt. Figur 2c kennzeichnet das Signal am Ausgang des KomparätQES'_^2'; \Äm_Kollektor des Schalttranssistors 11 entsteht das Signal nach Figur 2d und der entsprechende Stromfluß durch den Schalttransistor hat einen Magnetventilstrom entsprechend Figur 2e zur Folge.

Die Signalverhältnisse im Umfeld des Komparators k2 zeigt Figur 3. Dort ist in Figur 3a die über dem Meßwiderstand

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abfallende Spannung aufgetragen, Figur 3b zeigt den Stromfluß durch die Diode kk. Am Plus-Eingang des !Comparators k-2 ergibt sich ein Signal nach Figur 3c und das Ausgangspotential dieses !Comparators \2. zeigt Figur 3d.

Im einzelnen funktioniert nun die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung wie folgt:

An der Basis des Transistors 17 werden das invertierte Einspritzsignal nach Figur 2a und das Ausgangssignal des !Comparators (Figur 3d) in einer NOR-Funktion verknüpft. Dadurch leitet * während eines hohen Signalpegels an der Eingangsklemme 15 der Transistor 17s folglich sperrt der Schalttransistor 11 und die Magnetventilwickelung ist stromlos.

Zu Beginn des Einspritzsignals wird bei tiefem Ausgangswert des !Comparators k2 der Transistor 17 gesperrt und der nachfolgende Schalttransistor 11 leitend gesteuert. Es fließt ein Strom durch die Magnetwicklung 10, den Schalttransistor 11 und den Meßwiderstand 12, an dem eine zum Strom proportionale Spannung abfällt. Jeweils beim Erreichen einer einstellbaren oberen und einer unteren Schwelle schaltet der Komparator seinen Ausgangspegel um. Im Takt dieser internen Regelfrequenz wird die Magnetventilwicklung 10 gegen Masse geschaltet und der Ventilstrom zwischen den Werten Imax und Imin geregelt (siehe Figur 2e).

Zusätzlich wird am Ende des Einspritzsignals₉ d.h. bei der Anstiegsflanke des Signals nach Figur 2a durch eine Unterbrechung des FreilaufStromkreises der Magnetstrom über eine BC-Klammerung schnell auf Null abgebaut (siehe hierzu Figur 2d in Verbindung mit dem schnellen Signalabfall am Endes des in Figur 2e dargestellten Kurvenzuges)

Der Freilaufsteuerkreis 22 wird abhängig vom an der Eingangsklemme 30 liegenden Einspritzsignal leitend oder gesperrt gesteuert. Vor dem Auftreten eines Einspritzsignals ist der Freilaufsteuerkreis gesperrt. Erst während der Strompausen des Schalttransistors werden die Transistoren 23 und 2k im Freilaufsteuerkreis 22 leitend, der Strom durch die Magnetventilwicklung fließt dann durch den Transistor 2k und die Diode 21 und klingt ausgehend vom maximalem Stromwert a"b. " . -

Während der Ums ehalt Zeitpunkte des !Comparators k2 von tiefem auf hohes Potential sind wegen der endlichen Sperrverzugszeiten die beiden Transistoren 11 und 2k gleichzeitig leitend. Durch die Diode 21 und die Transistoren 23 und 2k fließt ein inverser Strom ;ts ίϊ"-" en

und wegen der noch nicht erlangten Sperrfähigkeit der Diode 21 übernehmen die Transistoren 23 und 2k die Spannung. Da die Kollektor-Basis-Diode des Transistors 2k ebenfalls noch leitet, baut sich zwischen Emitter und Basis, während der Dauer der Sperrverzugszeit der Diode 21 (Fast-RecoweryvDiode trr = 200 ... 600 ns, abhängig von Sperrschicht-Temperatur und Strom in Vorwärts richtung) die inverse Durchbruchsspannung (UEB = 7 V 9 V) auf. Dieser Betriebszustand ist im allgemeinen nicht zulässig und kann zur Verschlechterung der Verstärkungseigenschaften der beiden Transistoren 21 und 2k führen. Um ihn zu vermeiden, liegt dem Transistor 2k eine Diode 26 parallel. Sie übernimmt während der Umschaltzeitpunkte den Reversstrom und begrenzt die Reversspannung auf ca. 1 Volt.

In Schaltungen, in denen aus Gründen der Kühlung die Dioden 21 zwischen den Transistoren 11 und 2k angeordnet ist, schützt die Diode 26 darüber hinaus noch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 2k beim Einschalten der Transistoren 32 und 23 vor einer zu hohen inversen Durchbruchspannung.

1.

Führt man entsprechend der Schaltungsanordnung von Figur 1c die in Figur 1a dargestellte Diode 26 als Zenerdiode 5k aus, dann wird die Löschung der Schaltstufe (BC-Klammerung) in den Freilaufkreis verlagert. Bei genügend hochsperrenden Schalttransistor 11 können dann die Zenerdiode 37 sowie der Widerstand 18 entfallen.

Die Impulsverlustleistung des Transistors 2.Ή läßt sich senken, wenn die Durchlaßspannung der Diode 26 etwa dem 0,6-fachen der Durchbruchspannung der Zenerdiode 37 entspricht.

Der Komparator Xi arbeitet mit unsymmetrischer Strommessung. Während der Einschalt zeiten des Schalttransistors 11 wird der Strom durch die Magnetwicklung 10 des Einspritzventils über den Meßwiderstand. 12 erfaßt und als Istwert auf den Plus-Eingang des !Comparators k2 gegeben. Der Sollwert wird von einer stabilisierten Spannung (Zenerdiode 52) abgeleitet. Der dazugehörige Spannungsteiler (die Widerstände 50 und 53) bestimmt in seinem Abgleich die obere Schaltschwelle Imax.

Sobald die Ist-Spannung (U+) gleich der Soll-Spannung (U-) ist, schaltet der Komparator von tiefem auf hohes Ausgangspotential (Figur 3d).

Der Spannungssprung überträgt sich über den Kondensator k9 und klingt während der Freilaufphase mit der Zeitkonstanten ⁴T = C (1*9) χ R (In) ab. Sobald die Schaltschwelle wieder unterschritten wird, schaltet der Komparator k2 wieder sein Ausgangssignal auf einen tiefen Wert. Dann sperrt die Diode hk, so daß nach Figur 3c die Spannung am Plus-Eingang einen kleinen negativen Sprung macht und somit zur beschleunigten Umschaltung des Komparators k2 beiträgt. Die Diode 1+5 macht die Ladezeit des Kondensators k9 während der stromleitenden Phase des Transistors 11 im wesentlichen zu Null, so daß in der folgenden Freilaufphase immer die gleiche

Ladung im Kondensator U° umgeladen wird. Zusätzlich erfährt die Spannung an der Anode der Diode hk eine Begrenzung auf etwa -0,6 V.

Aufgrund der Schaltungsanordnung des !Comparators k-2 erfolgt die Umschaltung des Transistors 11 vom stromleitenden in den gesperrten Zustand "bei maximalem Strom wegen der gesperrten Diode kh (Figur 3b) völlig frei von dynamischen Komponenten. Der Batteriespannungseinfluß auf die Öffnungszeit des Magnetventils verringert sich dadurch merklich.

Als "besonderes Merkmal enthält die Schaltung einen Kompara tionswiderstand ^3, der den Batteriespannungsgang der Zenerdiode 52 in einem weiteren Bereich kompensiert. Dabei wird der sich am invertierenden Komparatoreingang verändernder Zenerspannung eine etwa gleich große Veränderung (durch R U3) am nicht invertierenden Komparatoreingang entgegengehalten, wodurch eine Kompesation des Batterxespannungsgangs eintritt. Der resultierende Batteriespannungsgang der Schaltungsanordnung, inshesonders des oberen Schaltpunktslmax wird dadurch außerordentlich verbessert.

Wesentlich bei der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist die Tatsache, daß während eines Einspritzsignals (Figur 2b) die Ausschaltzeitpunkte des Schalttransistors 11 durch das Erreichen eines maximalen Stromes bestimmt sind und sich die einzelnen Sperrphasen des Transistors 11 an der Umladezeitkonstante des Kondensators h9 orientieren.

Bei der oben beschriebenen Steuereinrichtung in Verbindung mit einem elektromangetischen Einspritzventil kam es darauf an, das Magnetventil schnell zu öffnen und anschließend den Ventilstrom aus Leistungsgründen zu

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takten. Als Ergebnis ergibt sich, der in Figur 2e dargestellte Stromverlauf durch die Wicklung des Einspritzventils .

Beim Gegenstand von Figur h wird das Signalverhalten der Steuereinrichtung von Figur 2 während der Zeit - dauer eines Einspritzsignals dazu ausgenützt, ein elektromechanisches Stellwerk in seiner Position zu steuern. Derartige Stellwerke werden in Verbindung mit Brennkraftmaschinensteuerungen z.B. im Zusammenhang mit einer Leerlaufregelung bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung benötigt oder jedoch zur Lagesteuerung eines mengenbestimmenden Gliedes bei einer Einspritzpumpe für eine Diesel-Brennkraftmaschine.

Beim Gegenstand von Figur h wird die Magnetwicklung eines Stellwerks fortlaufend mit einem pulsierenden Strom beaufschlagt. Der arithmetische Mittelwert dieses Stromes läßt sich bei dieser Steuereinrichtung über ein Steuersignal Us am Minuseingang des !Comparators k2. einstellen.

Die Steuereinrichtung von Figur h entspricht im Prinzip der Steuereinrichtung nach Figur 1. Es entfällt jedoch der Freilaufsteuerkreis 22, da während der Sperrzeiten des Transistors 11 eine einfacher Freilaufdiode 61 zum Leiten des Freilaufstromes ausreicht. Die Steuerspannung Us am Minus-Eingang des Komparators k2. bestimmt den Maximalwert durch die Wicklung 60 des Stellwerks. Die Dauer der jeweiligen Freilaufphasen orientieren sich wie bereits beim Beispiel.der Steuerung des Einspritzventils an der Umladezeitkonstanten für den Kondensator 1+9«

Das zur Steuereinrichtung nach Figur gehör.enäe<;Stromdiagramm ist in Figur 5 für zwei unterschiedliche

Steuerspannungen Us aufgetragen. Erkennbar ist der fortlaufende Wechsel iron Stromanstieg infolge eines leitend gesteuerten Schalttransistors 11 und nachfol gendem Stromaufall, hervorgerufen durch die ohmschen Widerstände im Freilaufkreis mit der Diode 61.

Claims

20.8.1981 Mü/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1

Ansprüche

1. Steuereinrichtung für einen elektromagnetischen Verbraucher, insbesondere Magnetventil oder elektromagnetisches Stellwerk, mit einem in Reihe zum Verbraucher liegenden Schalttransistor und einen Strommeßwiderstand, der mit einer Vergleichsstufe in Verbindung steht und der den Schalttransistor beim Erreichen eines bestimmten Verbraucherstromes in seinem Sperrzus.tand schaltet und zeitabhängig in seinen leitenden Zustand zurückschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe (Komparator ^2) eine dynamische Mitkopplung aufweist.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Mitkopplung aus einer Reihenschaltung von Kondensator (k9) und Diode (hk) besteht, und deren Verbindungsstelle über eine Diode (h-5) mit einer Batteriespannungsleitung (1U) gekoppelt ist.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines nur zeitweise ange-

steuerten Verbrauchers ein Freilaufsteuerkreis (22) mittels wenigstens eines Transistors (24) vorgesehen ist, und dem Transistor (21)-) eine Diode (26) parallel liegt.

k. Steuereinrichtung nach Anspruch 3_S dadurch gekennzeichnet, daß der Freilaufsteuerkreis (22) zeitsynchron mit dem Einschaltsignal des Verbrauchers steuerbar ist.

5· Steuereinrichtung nach Anspruch 3₉ dadurch gekennzeichnet, daß als dem Transistor {2k) parallel geschaltete Diode eine Zenerdiode (5*0 vorgesehen ist.

6. Steuereinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5 j gekennzeichnet durch ihre Verwendung in einem Kraftstoffzumeßsystem einer Brennkraftmaschine.

7. Steuereinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet., durch ihre Verwendung in einem Leerlaufdrehzahlsteuersystem einer Brennkraftmaschine.

8. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 und T, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kompensationsnetzwerk (R vorgesehen ist, das die Änderungen der Referenzspannung (Spannungsgang der Zenerdiode) kompensiert und damit eine lineare Öffnungsdauer (bzw. arthmetischen Mittelwert des Stromes bei LFR) des Ventils über der Batteriespannung ermöglicht ,