DE2243052A1

DE2243052A1 - Elektrisch gesteuerte, intermittierend arbeitende kraftstoffeinspritzanlage fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2243052A1
Application number: DE2243052A
Authority: DE
Inventors: Egon Laepple; Peter Dipl Ing Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1972-09-01
Filing date: 1972-09-01
Publication date: 1974-03-07
Also published as: FR2163261A5; IT973298B; JPS5727301B2; GB1444939A; US3913536A; JPS4967018A

Description

R.I 060

7.8.1972 Lr/Dr

Anlage zur

Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH₁ 7 Stuttgart 1

Elektrisch gesteuerte, intermittierend arbeitende Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen ___s_

Die Erfindung betrifft eine elektrisch gesteuerte, intermittierend arbeitende Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen mit wenigstens einem elektromagnetisch betätigbaren Einspritzventil und mit einem zur Magnetisierungswicklung des Ventils in Reihe liegenden Leistungstransistor sowie mit einer diesem vorgeschalteten Transistorschalteinrichtung, die synchron zu den Kurbelwellenumdrehungen der Brennkraftmaschine zur Abgabe eines Öffnungsimpulses für das Einspritzventil eingeschaltet und für eine die jeweilige Einspritzmenge bestimmende Öffnungsdauer eingeschaltet gehalten wird, wobei die Öffnungsdauer selbsttätig wenigstens einer beim Betrieb der Brennkraftmaschine sich ändernden physikalischen Größe, insbesondere der Ansaugluftmenge angepaßt wird, und ferner mit einer den Betriebsstrom für die Transistorschalteinrichtung liefernden Gleichstromquelle.

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Bei den seither in großer Zahl benützten Magnetventilen ist die Genauigkeit bei den kleinsten, von den Ventilen bei einem einzelnen Einspritzvorgang eingespritzten Kraftstoffmengen dadurch begrenzt, daß die elektromagnetisch erregten Einspritzventile eine gewisse, bis zu einigen Millisekunden betragende Zeit benötigen, bis ihr Magnetisierungszustand weit genug abgeklungen ist. Diese Schwierigkeiten treten vor allem bei solchen Magnetventilen auf, die zur Direkteinspritzung des Kraftstoffs in die Brennkraftmaschine, insbesondere für Diesel-Brennkraftmaschinen vorgesehen sind und die wegen der dort erforderlichen, gegenüber Saugrohr-Einspritzung wesentlich höheren Einspritzdrücke entsprechend kräftige Elektromagnete benötigen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die seither bei derartigen Magnetventilen beobachtete hohe Abfallzeit durch schaltungstechnische Maßnahmen stark zu reduzieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß mit der an den Leistungstransistor angeschlossenen Magnetisierungswicklung des Einspritzventiles ein Widerstand und eine für den Erregerstrom durchlässige Diode in Reihe geschaltet sind und daß parallel zu dem Widerstand und der Diode die Reihenschaltung aus einer mit der Magnetisierungswicklung verbundenen zweiten Diode und einer Selbstinduktionsspule liegt, an deren Verbindungspunkt ein Hilfstransistor mit seinem Kollektor angeschlossen ist, daß ferner in einem die Kollektoren der beiden Transistoren verbindenden Strompfad eine mit dem Kollektor des Hilfstransistors verbundene dritte Diode in Reihe mit einem an den Kollektor des Leistungstransistors angeschlossenen Halbleiterschalter, insbesondere einem Thyristor angeordnet ist, der am Ende eines Öffnungsimpulses in den stromleitenden Zustand gesteuert wird und dabei die Entladung eines Speicherkpndensators bewirkt, der an einer seiner Elektroden mit

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der gleichen Stromzuführungsleitung wie die Induktivität verbunden und mit seiner anderen Elektrode an den Verbindungspunkt der dritten Diode und des Halbleiterschalters angeschlossen ist. Mit der auf dem Speicherkondensator sitzenden Ladung wird am Ende eines Öffnungsimpulses ein zu dem seither fließenden Erregerstrom entgegengesetzt gerichteter Entmagnetisierungsstrom über den Halbleiterschalter bzw. Thyristor bereitgestellt. Dies hat zur Folge, daß die Abfallzeit des Magnetventils auf weniger als die Hälfte reduziert werden kann. Der Hilfstransistor hat in der erfindungsgemäßen Anordnung die Aufgabe, einen bis möglichst nahe an den Sättigungswert ansteigenden Magnetisierungsstrom über die Selbstinduktionsspule zu führen und diesen Magnetisierungsstrom schlagartig zu unterbrechen, so daß ein über die dritte Diode fließender und den Speicher in positiver Richtung aufladender Ausgleichsstrom entsteht. Hierzu kann der Hilfstransistor in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig jeweils am Ende eines Öffnungsimpulses für eine kürze - vorzugsweise wenigstens eine, vorteilhaft zwei Millisekunden betragende Zeitdauer in den stromleitenden Zustand gesteuert werden. Die Dauer des stromleitenden Zustands des Hilfstransistors kann zweckmäßig mit einem monostabilen Multivibrator bestimmt werd'en, der am Ende der Öffnungsimpulse in seine instabile Kipplage gebracht wird und dabei den Hilfstransistor stromleitend hält.

Weitere Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen . ergeben sich aus den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind. Obwohl die Erfindung bevorzugt für die Direkteinspritzung bei Dieselmotoren vorgesehen ist, bei denen die Steuerung der Einspritzventile taktgenau und jeweils bei einer festgelegten . Kurbelwellenstellung erfolgen muß, ist der einfacheren Darstellung halber für die Ausführungsbeis.piele eine Saugrohr-Einspritzanlage gewählt worden.

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Es zeigen:

Pig. 1 eine Vier-Zylinder-Viertakt-Brennkraftmas chine mit einer Einspritzanlage,

Fig. 2 die zum Betrieb ihrer Einspritzventile dienende Leistungsstufe in ihrem Schaltbild und

Fig. 3 ein Zeitdiagramm zur Erklärung der Wirkungsweise bei der Verkürzung der Abfallzeiten der Einspritzventile,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform einer Leistungsstufe, bei welcher nicht nur die Abfallzeiten der Einspritzventile, sondern auch deren Anzugszeiten verkürzt sind, und

Fig. 5 ein Zeitschaubild zur Erklärung der Wirkungsweise der Leistungsstufe nach Fig. Ί.

Die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 bestimmte Einspritzanlage umfaßt als wesentliche Bestandteile vier elektromagnetisch betätigbare Einspritzventile 11 mit je einer zu einem Verteiler 12 führenden Benzinleitung 13, eine elektromotorisch angetriebene Kraftstoff-Förderpurnpe 15, einen Druckregler 16 sowie eine im folgenden näher beschriebene Steuereinrichtung, die durch einen mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekuppelten Signalgeber 18 bei jeder Kurbelwellenumdrehung einmal ausgelöst wird und dann je einen rechteckfertigen, elektrischen Öffnungsimpuls 19 für die Einspritzventile 11 liefert. Die in der Zeichnung angedeutete zeitliche Dauer ti der Öffnungsimpulse 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.

Zur Erzeugung der Öffnungsimpulse 19 ist in der Steuerein-

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richtung ein monostabiler Steuermultivibrator 20 vorgesehen, der einen im Ruhezustand s'tromleitenden. Eingangs transistor 21 und einen an dessen Kollektor über einen Widerstand 22 mit seiner Basis angeschlossenen, im Ruhezustand gesperrten Ausgangstransistor 23 und außerdem ein die jeweilige Impulsdauer ti bestimmendes Zeitglied enthält. Dieses besteht bei dem lediglich als Ausführungsbeispiel zu wertenden Steuernmltivibrator 20 aus einem Transformator, dessen Primärwicklung 24 in Reihe mit einem Widerstand 2 5 zwischen dem Kollektor und der für die elektronische Steuereinrichtung gemeinsamen Minusleitung 26 liegt. Die Sekundärwicklung 27 ist induktiv mit der Primärwicklung über ein verstellbares Kraftlinienleitstück 28 gekoppelt, das von einer an das Ansaugrohr 30 der Brennkraftmaschine angeschlossenen Druckdose '31 in Richtung des eingezeichneten Pfeiles von dem nicht dargestellten Eisenkern des Transformators abgehoben wird, wenn der absolute Luftdruck im Ansaugrohr 30, beispielsweise durch Schließen der Drosselklappe 32, verringert wird. Bei steigendem Druck im Ansaugrohr 30 wird das Kraftlinienleitstück 28 unter der Wirkung nicht dargestellter Federn in der Gegenrichtung bewegt und vergrößert dann die Induktivität des als Zeitglied wirkenden Transformators. Die Sekundärwicklung 27 ist in der für Steuermultivibratoren dieser Art bekannten Weise einerseits an den Verbindungspunkt P zweier Widerstände 33 und 3*4 angeschlossen, die als Spannungsteiler zwischen der mit Masse verbundenen Minusleitung 26 und einer gemeinsamen Plus leitung 35 angeordnet sind. Mit ihrem anderen Wicklungsende ist die Sekundärwicklung 27 über eine Diode 36 an die Basis des Eingangstransistors 21 angeschlossen, welcher ebenso wie der Ausgangstransistor 23 zum pnp-Typ gehört und daher mit seinem Emitter an die Plusleitung 35 angeschlossen ist.

Der zum Auslösen des Steuermultivibrators 20 dienende Signalgeben Io ist im Gehäuse eines nicht dargestellten, zur Hoch-

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spannungszündanlge der Brennkraftmaschine gehörenden Zündvorteilers untergebracht und enthält im einzelnen einen zweihöckrigen Nocken 37, welcher auf der bei 38 angedeuteten Verteilerwelle sitzt und mit einem Kontakthebel 39 zusammenarbeitet. Der Kontakthebel ist über einen V/i de rs t and ^O an die Minusleitung 26 angeschlossen und mit einer der Elektroden eines Differenzierkondensators ^i verbunden. Er wird vom Schaltnocken 37 gegen einen feststehenden, mit der PluGleitung 35 verbundenen Schaltkontakt ^l\2 gedruckt und in dieser Schließstellung während einer Viertel-Umdrehung der Verteilervelle 38 gehalten.

Bei jedem Sch lic^Vorgang wird der Steuermultivibrator 20 in seinen instabilen Kippzustand gebracht,· dessen Dauer die Impulslänge ti ergibt und von der jeweils vom Kraftlinienleitstück eingestellten Induktivität abhängt. Um im Auslösezeitpunkt den Eingangstransistor 21 sperren zu können, ist der Kondensator 4l über eine Diode ^J)3 mit der Basis des Eingangstransistors und außerdem über einen Ladewiderstand ^4 mit der Plusleitung 35 verbunden. Solange der Kontakthebel 39 sich in der Offenstellung befindet, kann sich der Differenzierkondensator ¹H jeweils aufladen und seine Ladung in den Schlieiv zeitpunkten des Kontakthebels zur Sperrung des Eingangstransistors 21 abgeben. Sobald der Eingangstransistor 21 in den Sperrsustand übergeht, wird der Ausgangstransistor 23 in seinen strorleiter.deη Zustand gebracht. Sein die Primärwicklung 2k durchfließender, exponentiell ansteigender Kollektorstrom erzeugt in der Sekundärwicklung 27 eine Rückkopplungsspannung, welche den Eingangstransistor 21 über den jeweiligen Schließzeitpunkt hinaus noch solange gesperrt hält, bis die Rückkopplungsspannung unter einen durch das Potential des Spannungsteilerabgriffs P festgelegten Wert absinkt, bei welchem der Eingangstransistor wieder in seinen ursprünglichen leitenden Zustand zurückkehren kann. Während des stromleitenden Zustandes des Ausgangstransistors 23 entsteht .der bei 19 angedeutete Öffnungsimpuls für die Einspritzventile.

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Zur Stromversorgung der Ventile 11 ist eine Leistungsstufe 45 vorgesehen, Vielehe über einen nicht dargestellten Zwischenverstärker an den Kollektor des Ausgangstransistors 23 des Steuerimltivibrators 20 angeschlossen ist und von diesem zur Abgabe.der Öffnungsimpulse 19 für die Einspritzventile 11 veranlaßt wird.

Wie das Schaltbild nach Fig. 2 erkennen läßt, umfaßt die Leistungsstufe einen Leistungstransistor 46, an dessen Kollektor jeweils die Magnetisierungswicklung 47 der einzelnen Einspritzventile 11 mit einem ihrer Wicklungsenden angeschlossen sind. In Fig. 2 ist nur eine dieser Hagnetisierungswicklungen 47 wiedergegeben. Mit ihrem anderen Wicklungsende sind die einzelnen Magnetisierungswicklungen über einen gemeinsamen Widerstand 48 und eine Diode 49 an die gemeinsame Plusleitung 35 angeschlossen, welche zum Pluspol der bei 51 angedeuteten Starterbatterie 51 führt.

Um den Abbau des Magnetfeldes in den zur Wicklung 47 der Einspritzventile 11 gehörenden Eisenteilen zu beschleunigen und dadurch die Abfallzeit der Ventile erheblich zu reduzieren ist vorgesehen, daß am Ende eines öffnungsinpulses kurzzeitig ein zum seither fließenden Magnetisierungsstrom entgegengesetzter Entmagnetisierungsstrom durch die Magnetisierungswicklung fließen k'ann. Hierzu ist eine mit einem Eisenkern 53 versehene Selbstinduktionsspule 54, die eine große Induktivität hat, in Reihe mit der Emitter-Kollektor-Strecke eines Hilfstransistors 55 an die Plusleitung 35 angeschlossen.

Von dem mit dem Widerstand 48 verbundenen Wicklungsende der Magnetisierungswicklung 47 führt zur Selbstinduktionsspule 54 und zum Kollektor des Transistors 55 eine zweite Diode 56, während in einem den Kollektor des Hilfstransistors

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55 mit dem Kollektor des Leistungstransistors 46 verbindenden Strompfad eine dritte Diode 57 und die Anoden-Kathoden-Strecke eines Thyristors 58 liegt. An den Verbindungspunkt der Diode 57 und des Thyristors 58 ist mit einer seiner beiden Elektroden ein Speicherkondensator 60 angeschlossen, dessen zweite Elektrode an der Plusleitung 35 liegt, an die auch die Selbstinduktionsspule 5'4 und die Diode ^S angeschlossen ist. Wenn der Hilfstransistor in der weiter unten näher beschriebenen Weise stromleitend gemacht wird, kann sich ein kräftiger, die Wicklung der Selbstinduktionspule durchfließender Magnetisierungsstrom einstellen, der innerhalb von 1 .bis 2 Millisekunden seinen Maximalwert erreicht. Sobald der Hilfstransistor 55 in seinen Sperrzustand übergeführt wird, bildet sich an dem mit dem Kollektor des Transistors 55 verbundenen V.'ick lungs ende der Selbstinduktionsspule 5^ eine hohe positive Selbstinduktionsspannung aus, die bewirkt, daß über die dann stromleitend werdende Diode 57 der mit dieser Diode verbundenen Elektrode des Kondensators 60 starke positive Ladungen zufließen können. Diese Ladung wird dazu benützt, im Ausschaltaugenblick des Leistungstransistors kS über die Magnetisierungswicklung ^7 des zugehörigen Einspritzventils einen Entmagnetisierungsstrom zu führen, der dann die zweite Diode 56 durchfließt und über den leitend gewordenen Transistor 55 nach Masse geht. Damit dieser Entmagnetisierungsstrom im richtigen Augenblick einsetzt, wird im Sperrzeitpunkt des Leistungstransistors *J6 der Thyristor 58 eingeschaltet. Dann kann der in Fig. 3 im untersten Kurvenzug sich als Stromstoß darstellende Entladestrom Ie fließen.

In Fig. 3 ist mit einem Kurvenzug 6l die zeitliche Zuordnung der Einschaltvorgänge an der Selbstinduktionsspule in Bezug auf die Öffnungsimpulse 19 der Einspritzventile dargestellt. Zur Vereinfachung der Schaltung wird nämlich der Hilfstransistor 55 gleichzeitig mit dem Thyristor 58 eingeschaltet und für eine zur Erreichung des Sättigungsstromes in der Selbstinduktionsspule 5*4 ausreichende Zeitspanne ta stromleitend gehalten.

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Die Einschaltdauer ta des Hilfstransistors 55 kann auf einfache V/eise durch einen in seiner Kippdauer auf diese Zeit eingestellten, in der Zeichnung nicht dargestellten monostabilen Multivibrator sichergestellt werden.

Beim Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. k sind zur Verkürzung der Abfallzeit des bzw. der Einspritzventile die gleichen Bauelemente wie in Pig. 2 verwendet und mit den gleichen Bezugszeichen wie dort versehen.

Zusätzlich zu diesen der Verkürzung der Abfallzeit dienenden Maßnahmen sind weitere Baüglieder vorgesehen, welche dazu dienen, die Anzugszeit des Einspritzventils bzw. der Einspritzventile zu verkürzen. Hierzu ist ein zweiter Speicherkondensator 65 vorgesehen, der über eine weitere., mit dem Kollektor des Transistors 55'verbundene Diode 67 parallel zum Speicherkondensator 60 aufgeladen wird, wenn der Transistor 55 nach einer in Fig. 5 angedeuteten Einschaltdauer tb ausgeschaltet wird.

Der zweite Speicherkondensator 65 wird hierbei an seiner mit der Magnetisierungswicklung 47 verbundenen Elektrode auf ein Potential aufgeladen, das um mehr als das Doppelte, über dem Potential der Plusleitung 35 liegt. Wenn daher beim nächstfolgenden Öffnungsimpuls 19 der Leistungstransistor 46 stromleitend wird, steht als treibende Spannung eine um die Spannung des geladenen zweiten Speicherkonensators 65 erhöhte Spannung zur Verfügung, so daß im Einschaltaugenblick der die Magnetisierungswicklung 47 durchfließende Strom beträchtlich erhöht ist und demzufolge in einer um das erhöhte Spannungsverhältnis verkürzten Zeit der zum öffnen des Ventils erforderliche Stromwert erreicht wird.

Anstelle der in Fig« 2 vorgesehene Diode 56 ist ein zusätzlicher

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Transistor 66 vorgesehen, der nach dem vierten, in Fig. 5 dargestellten Kurvenzug 68 im gleichen Augenblick stromleitend wird, wie der Thyristor 58 und dann den vom Kondensator 60 gelieferten Entmagnetisierungsstrom übernimmt und über Masse durch die Batterie hindurch zur Plusleitung-35 und von dort zur negativ geladenen Elektrode des Kondensators 65 zurückführt. Gemäß Fig. 5 endigt der stromleitende Zustand des Transistors 66 gleichzeitig mit dem stromleitungen Zustand des Hilfstransistors 55, was die Ansteuerung der beiden Transistoren 55 und 66 erheblich vereinfacht.

Bei einem praktisch erorobten Ausführungsbeispiel nach Fig. konnte die Anzugszeit eines Einspritzventils von ursprünglich 2,5 Millisekunden auf 0,5 Millisekunden verkürzt und die Abfallzeit von 5 Millisekunden auf 1 Millisekunde reduziert v/erden.

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Claims

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Ansprüche

l.\Elektrisch gesteuerte, intermittierend arbeitende Kraftstoffeinsprit zanlage für Brennkraftmaschinen mit wenigstens einem elektromagnetisch betätigbaren Einspritzventil und mit einem zur Magnetisierungswicklung des Ventils in Reihe liegenden Leistungstransistor sowie mit einer diesem vorgeschalteten Transistorschalteinrichtung, die synchron zu den .Kurbelwellenumdrehungen der Brennkraftmaschine zur Abgabe eines Öffnungsimpulses für das Einspritzventil eingeschaltet und für eine die jeweilige Einspritzmenge bestimmende Öffnungsdauer eingeschaltet gehalten wird, wobei die Öffnungsdauer selbsttätig wenigstens einer beim Betrieb der Brennkraftmaschine sich ändernden physikalischen Größe, insbesondere der Ansaugluftmenge angepaßt wird, und ferner mit einer den Betriebsstrom für die Transistorschalteinrichtung liefernden Gleichstromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Magnetisierungswicklung (47) des Einspritzventils (11) ein Widerstand (4 8) und eine für den Erregerstrom durchlässige Diode (49) in Reihe geschaltet sind und daß parallel zu dem Widerstand und der Diode die Reihenschaltung aus einer mit der Magnetisierungswicklung verbundenen zweiten Diode (56) und einer Selbstinduktionsspule (54) liegt, an deren Verbindungspunkt ein Hilfstransistor (55) mit seinem Kollektor angeschlossen ist, und daß in einem die Kollektoren der beiden Transistoren (46, 55) verbindenden Strompfad eine mit dem

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Kollektor des Hilfstransistor verbundene dritte Diode (57) in Reihe mit einem an den Kollektor des Leistungstransistors angeschlossenen Halbleiterschalter, insbesondere einem Thyristor

(58) angeordnet ist, der am Ende eines Öffnungsimpulses (19) in den stromleitenden Zustand gesteuert wird und dabei die Entladung eines Speicherkondensators (6O) bewirkt, der an einer seiner Elektroden mit der gleichen Stromzuführungsleitung

(35) wie die Selbstinduktionsspule verbunden und mit seiner anderen Elektrode an den Verbindungspunkt der dritten Diode und des Halbleiterschalters angeschlossen ist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfstransistor (55) jeweils am Ende eines Öffnungsimpulses (19) für eine kurze - vorzugsweise wenigstens 1 Millisekunde betragende - Zeitdauer in stromleitenden Zustand gesteuert wird.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der zweiten Diode (56) ein zweiter Hilfstransistor (66) vorgesehen ist, der mit seinem Kollektor an das mit der Reihenschaltung aus Widerstand (4 8) und Diode (49) verbundene Wicklungsende der Magnetisierungswicklung (47) angeschlossen ist und am Ende der Öffnungsimpulse stromleitend gemacht wird.

4·. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

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daß parallel zu der Selbstinduktionsspule (5¹O die Reihenschaltung aus einer weiteren Diode (67) und einem zweiten, mit einer gemeinsamen Stromzuführungsleitung (35) verbundenen Speicherkondensator (65) liegt»

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