DE3342848A1 - Sicherheitseinrichtung fuer eine elektronisch gesteuerte oder geregelte brennkraftmaschine mit mikrocomputer - Google Patents
Sicherheitseinrichtung fuer eine elektronisch gesteuerte oder geregelte brennkraftmaschine mit mikrocomputerInfo
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Description
ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1
Sicherheitseinrichtung für eine elektronisch
gesteuerte oder geregelte Brennkraftmaschine mit Mikrocomputer
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung für ein durch einen Mikrocomputer gesteuertes oder geregeltes Stellglied
an einer Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Einspritzstufe, mit einer Vorrichtung zur Spannungs —
Versorgung des Mikrocomputers.
Mit der zunehmenden Vervendung der Mikroelektronik für
Steuer- und Regelzwecke "bei Brennkraftmaschinen ergeben
sich ständig Verbesserungen bezüglich des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine. So läßt sich beispielsweise
der Kraftstoffverbrauch ebenso wie die Abgasemission erheblich reduzieren, bei abruptem Lastwechsel der Brennkraftmaschine
ist ein gutes Übergangsverhalten gegeben und auch Zusatzfunktionen wie Warmlaufanreicherung,
Schubabschaltung und ähnliches können mit Hilfe der Mikroelektronik auf einfache Weise realisiert werden.
Im Regelfall arbeiten diese elektronischen Komponenten sehr
zuverlässig und störsicher. Speziell bei der Verwendung derartiger Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen tritt jedoch
das Problem der zuverlässigen Spannungsversorgung der elektronischen Bauteile auf. Im Gegensatz zu Laborbedingungen
liegt hier eine unter Umständen erheblich schwankende Versorgungsspannung, nämlich die Batteriespannung, vor. Um
den Einfluß dieser Batterie-Spannungsschwankungen zu eliminieren, wurden "eine Vielzahl von Stabilisierungsschaltungen entwickelt. Bei sehr starken Einbrüchen der
Batteriespannung, wie sie beispielsweise während des Startvorganges der Brennkraftmaschine insbesondere bei
niedrigen Außentemperaturen auftreten, sind auch diese Stabilisierungsschaltungen nicht mehr in der Lage, die
für die elektronischen Bauelemente notwendige Versorgungsspannung zu liefern. Um in diesen Fällen eine unkontrollierte
Betätigung des anzusteuernden Stellgliedes zu vermeiden, was beispielsweise im Fall der Einspritzendstufe
zu einem Vollaufen der Zylinder mit Kraftstoff führen könnte, sind Spannungswächter vorgeschlagen worden,
die ein Abfallen der stabilisierten Spannung detektieren .
Häufig kommen deshalb Spannungsregler mit eingebautem Spannungswächter zur Anwendung (siehe z.B. der Spannungsregler
LM 2935 von National Semiconductor), deren Spannungswächter-Ausgang direkt an dem Reustart (Reset)-Eingang
des Mikrocomputers angeschlossen ist. Im Falle des Absinkens der Versorgungsspannung unter eine bestimmte
Schwelle wird der Mikrocomputer außer Betrieb gesetzt und das Stellglied in eine definierte Position gebracht.
Damit ist für eine erhebliche Zeitdauer (Reset-Dauer ca. 100 msec) keine Einspritzung möglich. Dies unabhängig
< ζ.
davon, für welchen Zeitraum die stabilisierte Spannung die vorgegebene Schwelle des Spannungswächters unterschreitet
.
Im allgemeinen arbeitet der Mikrocomputer jedoch auch noch bei wesentlich kleineren, unterhalb der Schwallwert
spannung des Spannungswächters liegenden Spannungen.
Nachteilig bei diesen Schaltungen ist, daß der Mikrocomputer während einer Vielzahl von Spannungseinbrüchen
der stabilisierten Versorgungsspannung neu gestartet (Reset) wird, obwohl er an und für sich noch funktionsfähig
wäre. Da der Neustart des Mikrocomputers eine gewisse Zeitdauer (Reset-Dauer ungefähr 100 bis 200 msek)
in Anspruch nimmt, ist das zu betätigende Stellglied häufig unnötig lange blockiert. Für den Fall einer Einspritzendstufe
bedeutet dies, daß kein Kraftstoff in die Zylinder eingespritzt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Mit der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung für ein
durch einen Mikrocomputer gesteuertes oder geregeltes Stellglied an einer Brennkraftmaschine wird erreicht,
daß das von dem Mikrocomputer angesteuerte Stellglied bei Einbrüchen der Versorgungsspannung nicht unnötig
lange blockiert wird. Die Funktion des Mikrocomputers bleibt so lange wie möglich aufrechterhalten.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich insbesondere bei kurzen Versorgungsspannungseinbrüchen, beispielsweise
während der Startphase. Dann ist sicherge-
Λ.
stellt, daß während dieser Zeit durch einen Ausfall peri
pherer Mikrocomputerkomponenten kein Vollaufen der Zylin der der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff erfolgt.
Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, daß die Einspritzzeit
im wesentlichen in das Maximum der schwankenden Batteriespannung fällt und somit kurzzeitiger Verriegelungen
der Einspritzendstufe keinen Einfluß auf die Einspritzung haben.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus in den
Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung.
Zeichnung *
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1a den Verlauf von
Batteriespannung und stabilisierter Spannung, die Reset-Dauer des Mikrocomputers sowie die Zeitdauer der
Funktionsfähigkeit des betreffenden Stellgliedes für
Einrichtungen, wie sie zum Stand der Technik gehören. Figur 1b zeigt den entsprechenden Signalverlauf der erfindungsgemäßen
Einrichtung und Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen. Einrichtung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1a ist der Signalverlauf der Mikrocomputer-Reset-Dauer
und der Zeitdauer der Funktionsfähigkeit der Einspritzendstufe für einen .-vorgegebenen Verlauf
der Batteriespannung dargestellt und dient zur Erläu-
terung der Problematik bei bekannten Sicherheitseinrichtungen. Im ersten Diagramm der Figur 1a ist die
Batteriespannung mit ihren beispielsweise im Startfall auftretenden Schwankungen in Abhängigkeit von der Zeit
aufgetragen. Dabei ist angenommen, daß die Stabilisierung der Versorgungsspannung U_ bei den Minimalwerten der
Batteriespannung nicht mehr funktioniert, so daß hier kleine Einbrüche der stabilisierten Versorgungsspannung
U_. , auftreten. Unterschreiten diese Spannungsein-
brüche U_, . einen Schwellwert U , wie es in der Zeichst
ab s
nung in allen drei Fällen der Fall ist, so wird der Mikrocomputer mittels des Spannungswächters neu gestartet.
Dieser Neustart nimmt eine gewisse, mit T_ bezeichnete
Zeitdauer in Anspruch, während der, wie im dritten Diagramm der Figur 1a dargestellt, das Stellglied funktionsunfähig
bzw. verriegelt ist. Für etwas größere Reset-Zeitdauern Ix, bzw. für zeitlich raschere Batte-
riespannungsschwankungen kann dies dazu führen, daß das
zu betätigende Stellglied ständig verriegelt ist. Im Fall der Einspritzendstufe bedeutet dies, daß kein Kraftstoff
zu den Zylindern gelangt und ein Starten der Brennkraftmaschine unmöglich ist.
Anhand der Figur 1b soll die entsprechende Funktionsweise
der erfindungsgemäßen Einrichtung beschrieben werden. Im ersten Diagramm sind wiederum die zeitlichen
Änderungen der Batteriespannung U_ sowie der stabilisierten Versorgungsspannung U_, , aufgetragen. Beim
dritten Spannungseinbruch wird der Schwellwert U... für
die tatsächliche Funktionsfahigkeitsgrenze des Mikrocomputers
unterschritten, so daß ein Neustart des Mikrocomputers mit der dazu notwendigen Resetzeitdauer TR
eingeleitet werden muß. Hier weicht die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht vom Stand der
Technik ab.
:; uoy
Dagegen wird bei den ersten beiden Spannungseinbrüchen, bei denen nicht der zur Funktionsfähigkeit des Mikrocomputers
notwendige Schwellwert U . unterschritten wird, die Einspritzstufe nur für die Zeitdauer des Einbruchs
der Versorgungsspannung an sich verriegelt. Im vierten Diagramm der Figur 1b, das sich aus einer ODER-Verknüpfung
der Verriegelungszeitdauer im zweiten Diagramm und der Reset-Zeitdauer T„ im dritten Diagramm ergibt, ist die
Zeitdauer der Funktionsfähigkeit der Einspritzendstufe
aufgetragen. Dadurch, daß nicht bei jedem Spannungseinbruch der stabilisierten Versorgungsspannung Ua der
ο t a υ
den internen Schwellwert U des Spannungswächters unter-
schreitet, ein Neustart (Reset) des Mikrocomputers vorgenommen
wird, ergibt sich eine wesentlich größere Zeitdauer der Funktionsfähigkeit der Einspritzanlage.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Sicherheitseinrichtung dargestellt. Mit 10 ist ein
Mikrocomputer bezeichnet, dem, wie durch mehrere Pfeile angedeutet, Kenngrößen der Brennkraftmaschine wie die
Drehzahl n, die Temperatur T, der Luftmengendurchsatz Q und ähnliches, sowie die stabilisierte Versorgungsspannung zugeführt werden. An einem Überwachungsausgang
12 des Mikrocomputers ist eine Überwachungsschaltung 13 angeschlossen, wobei deren Ausgang mit einem Eingang 1k,
dem Neustart (Reset)-Eingang des Mikrocomputers verbunden
ist. Der Mikrocomputer 10 betätigt weiterhin ein Zeitglied 15, das seinerseits über einen Widerstand 17
eine Einspritzendstufe 16 betätigt. Ein Ausgang 18 der
Einspritzendstufe ist über ein oder mehrere Einspritzventile
19 mit der Batteriespannung U_, verbunden. An
einem Verbindungspunkt 20 zwischen dem Widerstand 17 und der Einspritzendstufe 16 führen zum einen eine Leitung
21 aus der Überwachungsschaltung 13 sowie eine Leitung 22 aus einer Spannungsstabilisierungsschaltung 23,
-T-
wobei in jede dieser beiden Leitungen 21 und 22 eine Diode2U bzw. 25 geschaltet ist.
Jede der Komponenten Zeitglied 15, Überwachungsschaltung 13, Einspritzendstufe 16 ist mit der stabilisierten
Spannungsversorgung U . , , die als Ausgangsgröße der Spannungsstabilisierungsschaltung 23 auftritt, verbunden.
Die prinzipielle Punktionsweise der Einrichtung soll zunächst ohne nähere Erläuterung des "Innenlebens" der einzelnen
Komponenten 13, 16, 23 erklärt werden. Liegt die stabilisierte Versorgungsspannung konstant vor, d.h., daß
es sich um einen störungsfreien Betrieb der Einrichtung handelt, so nimmt das Potential an den Leitungen 22
sowie 21 Werte in der Nähe von 0 an. Da die Ausgangssignale· des Zeitgliedes 15 Amplituden zwischen Massepotential
und der stabilisierten Versorgungsspannung annehmen, sind die Dioden 2k und 25 für den Nichtstörfall
gesperrt, so daß das oder die Einspritzventile 19 entsprechend betätigt werden können.
Liegt dagegen ein Absinken der stabilisierten Versorgungsspannung unter ihrem Sollwert vor, nimmt
das Potential an der Leitung 22 positive Werte an. Die Diode 25 wird für die Dauer des Absinkens der stabilisierten
Versorgungsspannung unterhalb des Sollwerts in den leitenden Zustand versetzt, wodurch die Einspritzendstufe
verriegelt, d.h. die Kraftstoffzumessung auf
den Wert 0 reduziert wird. Direkt nach dem Wiederansteigen der stabilisierten Versorgungsspannung auf ihren
Sollwert fällt das Potential an Leitung 22 wieder auf
niedrige Werte ab und die Diode 25 sperrt. Diese Maßnahme dient dazu, daß das Zeitglied 15 durch ein Absinken der
Spannung U„, , eine unzulässige bzw. fehlerhafte .Einspritzzeit
ausgibt.
Im Gegensatz hierzu liegt an der Leitung 21 nur dann hohes
Potential, wenn über den Überwachungsausgang 12 des Mikrocomputers 10 von der Überwachungsschaltung 13 eine Funktionsunfähigkeit
des Mikrocomputers erkannt wurde. Falls dies der Fall war, bleibt die Diode 2k auch nach einem Wiedererreichen des Sollwerts der stabilisierten Versorgungsspannung mindestens für die Zeitdauer TR der Reset-Zeitdauer
des Mikrocomputers, leitend.
Auf diese Art und Weise wird die Einspritzendstufe 16
nicht durch unnötige Reset-Vorgänge.des Mikrocomputers 10
blockiert.
Die Überwachungsschaltung 13 ist im einzelnen folgendermaßen aufgebaut: Der Überwachungsausgang 12 des Mikrocomputers
10 führt über einen Hochpaß bestehend aus dem Kondensator 27 und dem Widerstand 28 an die Basis eines Transistors 29,
dessen Emitter mit Massepotential verbunden ist. Der Kollektor ist über einen Widerstand 30 und einen Kondensator 31
mit der stabilisierten Versorgungsspannung verbunden. Der invertierende Eingang eines Operationsverstärkers 32 steht
mit dem Verbindungspunkt zwischen Kapazität 31 und Widerstand 30 in Verbindung. Der nicht invertierende Eingang
des Operationsverstärkers 32 wird mit dem Ausgangssignal eines Spannungsteilers bestehend aus den Widerständen 33
und 3^, die zwischen Massepotential und die stabilisierte
Versorgungsspannung geschaltet sind, beaufschlagt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 32 ist über einen weiteren,
- sr-
gegen Masse geschalteten Spannungsteiler "bestehend aus den
Widerständen 35 und 36 mit der Basis eines Transistors
verbunden. Der Emitter dieses Transistors 37 liegt auf Massepotential während der Kollektor einerseits über einen
Widerstand 38 an die stabilisierte Versorgungsspannung angeschlossen ist und andererseits über die schon erwähnte
Leitung 21 mit der Diode 2k verbunden ist. Weiterhin führt der Signalweg vom Emitter des Transistors 37 über
einen Widerstand 39 an die Basis eines Transistors ^O,
dessen Emitter auf Massepotential liegt. Der Kollektor dieses Transistors ko liegt über einen Widerstand k^ an
der stabilisierten Versorgungsspannung, über einen Widerstand k2 am invertierenden und über einen Widerstand U3
am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 32 sowie über eine Leitung kk am Eingang 1U des Mikro- ♦
computers.
Die an sich bekannte Stabilisierungsschaltung 23 besteht
aus einer Brücke deren beide Brückenzweige mit einem Wider stand k6 und kl bzw. dem Widerstand kQ und der Zenerdiode
^9 zwischen den Kollektor eines Transistors 50 und Massepotential
geschaltet sind. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand k6 und 1+7 ist an den invertierenden Eingang
eines Operationsverstärkers 51, der Verbindungspunkt
zwischen dem Widerstand kQ und der Zenerdiode k9 an den
nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 51 angeschlossen. Vom Ausgang des Operationsverstärkers
51 führt zum einen die Leitung 22 zur Diode 25 sowie ein weiterer Signalweg über den Widerstand 52 zur Basis eines
Transistors 53, dessen Emitter mit Massepotential belegt ist. Der Kollektor dieses Transistors 53 ist über einen
Widerstand 5k mit der Basis des Transistors 50, dessen
Emitter auf dem Potential der Batteriespannung liegt, verbunden. Die stabilisierte Versorgungsspannung wird
am Kollektor des Transistors 50 abgenommen.
-A-
Die an sich "bekannte Einspritzendstufe 16 besteht aus
zwei Transistoren 56 und 57 5 wobei der Emitter des Transistors 56 an die stabilisierte Spannungsversorgung
angeschlossen und der Kollektor mit der Basis des Transistors 57, dessen Emitter auf Massepotential liegt,
verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 57 ist über den Ausgang 18 und das oder die Einspritzventile
19 mit der Batteriespannung verbunden. Angesteuert wird die Einspritzendstufe 16 von den Signalen des Verbindungspunktes 20 über eine Diode 58, die an der Basis des
Transistors 56 liegt. Die Basis des Transistors 56 ist
weiterhin über einen Widerstand 59 mit der stabilisierten Spannung verbunden.
Die Funktionsweise der Einspritzendstufe 16 ist bekannt
und soll im weiteren nicht näher erläutert werden.
Der Operationsverstärker 51 in der Spannungsstabilisierungsschaltung
23 wirkt in der Weise, daß der Transistor 50 als Längstransistor je nach dem momentanen Wert der .
Batteriespannung mehr oder weniger aufgesteuert wird, um
das Gleichgewicht der Brücke am Eingang des Operationsverstärkers 51 aufrecht zu erhalten. Sinkt die Batteriespannung
auf derart niedrige Werte ab, daß die stabilisierte Spannung nicht mehr aufrecht erhalten werden kann, so
läuft der Ausgang des Operationsverstärkers 51 an seinem oberen Anschlag und bewirkt über ein Leitendwerden der
Diode 25 eine Blockierung der Einspritzendstufe 16.
Die Überwachungsschaltung 13 wird vom. Überwachungseingang
12 des Mikrocomputers angesteuert, und zwar in der Weise, daß im Falle einer funktionsfähigen Einheit der
Transistor 29 ständig auf und zu gesteuert wird. Bei geöffnetem Transistor 29 wird die Kapazität 31 über den
'Al·-
Widerstand 30 aufgeladen. Entladen kann sich der Kondensator 31 über den Widerstand k2 und den Widerstand kl,
falls sich der Transistor kO im Sperrzustand befindet.
Die Dimensionierung der Komponenten Widerstand 30, Kapazität 31, Widerstand \2 und Widerstand U1 ist in der Weise
festgelegt, daß das Potential am invertierenden Eingang für den funktionstüchtigen Mikrocomputer 10 immer unter
dem Potential am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
32 liegt. Fällt die stabilisierte Versorgungsspannung auf Werte, bei denen der Mikrocomputer
10 nicht mehr funktionsfähig ist, so liegt am Überwachungsausgang
12 ein Gleichspannungspotential an und der Transistor 29 wird in seinen Sperrzustand überführt. Der
Kondensator 31 entlädt sich bis die Spannung am invertierenden Eingang diejenige am nichtinvertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 32 übersteigt. Dieser schaltet und der Transistor 37 sperrt. Dementsprechend wird die
Leitung 21 auf hohes Potential gelegt und die Einspritzendstufe 16 blockiert. Über den jetzt leitenden Transistor
Uo und den Widerstand U2 wird der Kondensator 31
wieder geladen bis der Operationsverstärker 32 seine Ausgangsgröße ändert. Die Zeitdauer bis zum erneuten
Kippen wird entsprechend der Reset-Dauer TR gewählt.
Durch die Überwachungsschaltung 13 ist somit gewährleistet, daß die Einspritzendstufe tatsächlich nur nach dem Auftreten
einer Funktionsunfähigkeit des Mikrocomputers 10 über die Dauer T_. eines Reset-Vorganges blockiert wird.
Für Einbrüche der stabilisierten Spannungsversorgung, die nicht zu einer Funktionsunfähigkeit des Mikrocomuters
führen, wird die Einspritzendstufe 16 lediglich für die
Zeitdauer dieser Einbrüche über Leitung 22 gesperrt, um Störungen in der Ausgabe der Einspritzzeit des Zeitgliedes
15 zu vermeiden.
Wie aus dem. vierten Diagramm der Figur 1b ersichtlich ist,
fallen hierdurch die Zeitintervalle während denen die Einspritzendstufe
funktionsfähig ist, immer in die Maxima der Batteriespannung, so daß die kurzzeitige Verriegelung
der Einspritzendstufen keinen Einfluß auf die Einspritzung
ausübt.
Es soll betont werden, daß die spezielle Ansteuerung der Einspritzendstufen über das Zeitglied 15 und den Mikrocomputer
10 den Grundgedanken der Erfindung nicht einschränkt. Es ist ebenso gut möglich, daß z.B. das Zeitglied
15 im Mikrocomputer integriert ist oder daß die Einspritzendstufe
16 über digitale Werte und einen Digital-Analogwandler
angesteuert wird.
'/IS- - Leerseite -
Claims (3)
- R. ': ■ i ■ "; Ü
Τ.11·1983 Vb/HmROBERT BOSCH GMBH, TOOO Stuttgart 1AnsprücheM .j Sicherheitseinrichtung für ein durch einen Mikrocomputer gesteuertes oder geregeltes Stellglied an einer Brennkraftmaschine, insbesondere für wenigstens eine Einspritzendstufe, mit einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung des Mikrocomputers und peripherer Schaltkreise und einer ersten Überwachungsvorrichtung zur Überwachung von Einbrüchen der Versorgungsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Überwachungseinrichtung zur Detektion eines Ausfalls des Mikrocomputers, insbesondere aufgrund von Spannungsschwankungen, vorgesehen ist und daß im Störfall beide Überwachungseinrichtungen einander ergänzend eine Feststellung des Stellgliedes in eine definierte Position bewirken. - 2. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Überwachungseinrichtung über die Zeitdauer des Absinkens der Versorgungsspannung um einen bestimmten Wert auf die Position des Stellgliedes einwirkt .
- 3. Sicherheitseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Überwachungseinrichtung nach Absinken der Versorgungsspannung auf Werte, die zu einer Punktionsunfähigkeit des Mikrocomputers führen, für eine vorgegebene Zeitdauer (T-D) auf die Position des Stellgliedes einwirkt.k. Sicherheitseinrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der ersten und der zweiten Überwachungseinrichtung die Position des Stellgliedes über eine ODER-Verknüpfung beeinflussen.5- Sicherheitseinrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Überwachungseinrichtung vom Überwachungsausgang eines Mikrocomputers angesteuert und ihrerseits mit ihrem Ausgang an den Reset-Eingang des Mikrocomputers angeschlossen ist.
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