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Einspritzanlage für Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen,
insbesondere für mit Saugrohreinspritzung arbeitende Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen,
mit wenigstens einem elektromagnetisch betätigten Einspritzventil, das an eine unter
konstantem Druck gehaltene Kraftstoffversorgungsleitung angeschlossen ist und dessen
öffnungsdauer von einer monostabilen elektrischen Kippeinrichtung bestimmt wird,
die ein Zeitglied enthält, das an eine mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine veränderbare
Spannung angeschlossen ist.
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Um eine leichte Anpassung der Einspritzanlage an Motoren mit unterschiedlichem
Kraftstoffbedarf zu erzielen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß zwischen
der genannten drehzahlveränderlichen Spannungsquelle und dem Zeitglied ein Potentiometer
eingeschaltet ist, dessen Abgriff mit der Drosselklappe über ein Funktionsgetriebe
gekuppelt ist, das -- bezogen auf eine gleiche Drehgeschwindigkeit der Drosselklappe
- eine hohe Drehgeschwindigkeit der Schleiferschwenkachse bei kleinen Drosselklappenöffnungswinkeln,
dagegen eine kleine Drehgeschwindigkeit der Schleiferschwenkachse bei großen Drosselklappenöffnungswinkeln
ergibt.
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In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Einspritzanlage
für eine Viertakt-Vierzylinder-Brennkraftmaschine dargestellt. Es zeigt Fig. 1 das
elektrische Schaltbild der Einspritzanlage, Fig. 2 ein Schaubild für den Kraftstoffbedarf
der Brennkraftmaschine, Fig. 3 ein Schaubild für die Abhängigkeit einer Verstellgröße
der Einspritzanlage vom Drosselklappenöffnungswinkel der Brennkraftmaschine, Fig.
4 den Ansaugstutzen und eine Verstelleinrichtung für die Einspritzanlage in raumbildlicher
Darstellung und Fig. 5 eine Prinzipskizze der Verstelleinrichtung. Der mit
10 bezeichneten, mit einer nicht dargestellten Hochspannungszündanlage ausgerüsteten
Vierzylinder-Brennkraftmaschine wird der zu ihrem Betrieb erforderliche Kraftstoff
durch Einspritzung in das Ansaugrohr 11 über die Einspritzdüse 12 eines elektromagnetisch
betätigten Einspritzventils 13 zugeführt, das auf dem Luftfilter
14 sitzt und eine Magnetwicklung 15 und einen die Düsenöffnung verschließenden
Ventilkegel 16 sowie einen mit dem Ventilkegel verbundenen Eisenkern 17 enthält.
Dem Innenraum des Ventilgehäuses wird der einzuspritzende Kraftstoff über eine Rohrleitung
18 durch eine nicht dargestellte Pumpe unter gleichbleibendem Druck zugeführt. So
oft und solange durch die Magnetwicklung 15 ein Strom J fließt, dessen Stärke über
einem zum Einziehen des Magnetkerns 17 in die Wicklung 15 und damit zum Abheben
des Ventilkegels 1.6 von seiner Sitzfläche ausreichenden Wert liegt, gelangt Kraftstoff
durch die Düse 12 in das Ansaugrohr 11 und vermischt sich dort mit der durch den
Filter 14 in das Ansaugrohr gelangenden Ansaugluft der Brennkraftmaschine. Je länger
der Ventilkegel 16 von seinem Sitz auf der Düsenöffnung abgehoben wird, um so mehr
Kraftstoff gelangt aus dem Einspritzventil in das Ansaugrohr 11.
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Zur Betätigung des Einspritzventils und zur Regelung der eingespritzten
Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine
dient die im folgenden näher beschriebene elektrische Einrichtung. Diese enthält
eine monostabile Kippeinrichtung 20; die in der Zeichnung durch unterbrochene
Linien umrahmt ist, und außerdem einen Leistungstransistor 21, der von der Kippeinrichtung
mit in ihrer zeitlichen Dauer veränderbaren Steuerimpulsen versorgt wird und bei
jedem Steuerimpuls stromleitend wird und über die Wicklung 15 einen zum Öffnen des
Ventils ausreichenden Stromimpuls J zu führen vermag.
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Die Kippeinrichtung umfaßt zwei Transistoren, einen Eingangstransistor
22 und einen Ausgangstransistor 23, sowie ein Zeitglied, das einen Kondensator
24 und einen diesem parallel geschalteten, mit dem Kühlwasser der Brennkraftmaschine
in wärmeleitender Verbindung stehenden temperaturabhängigen Widerstand25 enthält
und an denVerbindungspunkt P zweier in der Kollektorleitung des Eingangstransistors
22 liegender Widerstände 26 bzw. 27 von etwa 1000 bzw. etwa 5000 Ohm angeschlossen
ist. Die beiden zum Zeitglied gehörenden Schaltelemente sind in Reihe mit einem
Widerstand 30 und einem Widerstand
31 von je 600 Ohm an die Basis
des Ausgangstransistors 23 angeschlossen. Die Vorspannung der Emitter-Basis-Strecke
dieses Transistors bestimmt im instabilen Betriebszustand des Kippgeräts zusammen
mit der Entladezeitkonstanten des Zeitgliedes die jeweilige Dauer der dem Einspritzventil
13 zufließenden Impulsströme J und damit die bei jedem Stromimpuls in das Ansaugrohr
gelangende Kraftstoffmenge.
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Zur Anpassung der Einspritzmenge an die Drehzahl und die Drosselklappenstellung
ist ein mit der Nockenwelle 33 der Brennkraftmaschine gekuppelter Generator vorgesehen,
der einen umlaufenden permanentmagnetischen Anker 35 und zwei feststehende Wicklungen
36 und 37 hat. Die Wicklung 36 ist an vier in Grätzschaltung angeordnete Gleichrichter
38 angeschlossen und liefert eine mit der Drehzahl wachsende Spannung, die einer
nichtlinearen Brücke zugeführt wird. Die Brücke besteht aus zwei Widerständen 40
und 41 und zwei Halbleitergleichrichtern 42 und 43. Während eine ihrer Diagonalen
an die Gleichrichter 38 angeschlossen ist, liegt ihre andere Diagonale unmittelbar
an dem Widerstand 30 und erzeugt an diesem eine mit der Drehzahl veränderliche Spannung
U2. Die andere feststehende Wicklung 37 des Generators ist über- vier ebenfalls
in Grätzschaltung angeordnete Gleichrichter 44 an ein Potentiometer 45 angeschlossen
und erzeugt an diesem eine ebenfalls mit der Drehzahl wachsende Gleichspannung.
Der zwischen den Punkten a und e des Potentiometers 45 verstellbare
Abgriff 46 ist elektrisch leitend mit der Basis des Ausgangstransistors 23 so verbunden,
daß die am Potentiometer 45 abgegriffene Spannung am Widerstand 31 eine Steuerspannung
Ui ergibt, die zulammen mit der Spannung U2 die jeweilige Vorspannung der Basis
des Ausgangstransistors 23 bestimmt.
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Damit die mit der Drehzahl steigende Spannung Ul in Abhängigkeit vom
jeweiligen Öffnungswinkel der bei 48 angedeuteten Drosselklappe der Brennkraftmaschine
geändert werden kann, ist die Schwenkachse des Potentiometerschleifers 46 erfindungsgemäß
mit der Drehachse der Drosselklappe 48 durch ein Funktionsgetriebe 50 gekuppelt,
das - bezogen auf eine gleiche Drehgeschwindigkeit der Drosselklappe -eine hohe
Drehgeschwindigkeit der Schleiferschwenkachle bei kleinen Drosselklappenwinkeln,
dagegen eine kleine Drehgeschwindigkeit der Schleiferschwenkachse bei großen Drosselklappenöffnungswinkeln
ergibt.
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Das Funktionsgetriebe, dessen Anordnung und Ausbildung aus Fig. 4
besser zu ersehen ist, umfaßt einen mit der Drehachse 51 der Drosselklappe 48 gekuppelten
Schwenkhebel 52, eine den Potentiometerschleifer 46 tragende, in einem Bock 53 gelagerte
Welle 54 sowie eine Zwischenwelle 55, die an ihrem einen Ende einen Bügel 56 hat
und mit der Welle 54 durch eine Gelenkachse 57 verbunden ist. Das andere Ende der
Zwischenwelle 55 greift in den gabelförmigen Ausschnitt 58 am freien Ende des federelastisch
ausgebildeten Schwenkhebels 52 ein und wird von diesem unter schwachem Druck gegen
die Kante eines Leitkurvenstücks 59 gedrückt. Das Leitkurvenstück bildet einen Ausschnitt
aus einem zylindrischen Rohr und hat eine der geforderten Abhängigkeit zwischen
der Drosselklappenachse 51 und der Schleiferantriebswelle 54 angepaßte Mantellänge
h, die mit größer werdendem Drosselklappenöffnungswinkel (= zunimmt.
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Wie Fig. 2 erkennen läßt, ändert sich die je Arbeitstakt der Brennkraftmaschine
einzuspritzende Kraftstoffrnenge M bei einem Drosselklappenöffnungswinkel (p von
80° nur verhältnismäßig wenig, wenn sich die Drehzahl im Bereich zwischen der Leerlaufdrehzahl
von etwa 250 U/min bis zur Höchstdrehzahl von 6000 U/min ändert. Wenn dagegen die
Brennkraftmaschine im Teillastbereich läuft und der Drosselklappenöffnungswinkel
cp kleiner ist, muß beispielsweise bei (p = 10° die je Arbeitstakt zur Einspritzung
kommende Kraftstoffmenge M von 40 mms im Leerlauf auf etwa 7 mms bei 4000 U/min
verkleinert und die zur Erzielung der genannten Einspritzmengen erforderliche Impulszeit
entsprechend verkürzt werden. Diese Verkürzung der Impulszeiten wird in der unten
näher beschriebenen Weise durch die am Potentiometer 45 abgegriffene Spannung Ui
erzielt. Hierfür ist es erforderlich, daß der Verstellwinkel a des Schleifers 46
sich in Abhängigkeit von dem Drosselklappenöffnungswinkel cp in der in Fig. 3 dargestellten
Weise ändert. Besonders wichtig ist dabei, daß die in Fig. 3 durch die Tangente
S1 angedeutete Neigung der dargestellten Kurve erzielt wird. Die Neigung der Geraden
S1 kann durch
ausgedrükt werden und wird durch das Verhältnis bestimmt, wenn man mit ho die Höhe
des Leitkurvenstücks
59 an derjenigen Stelle bezeichnet, an der der Schwenkhebel 52 bei Leerlauf der
Brennkraftmaschine steht, und L den aus Fig. 5 ersichtlichen Abstand dieser Auflagestelle
von der Drehachse der Drosselklappe und der Gelenkachse57 bezeichnet. Da die jeweilige
Höhe h des Leitkurvenstückes 59 für die zugehörigen Drosselklappenöffnungswinkel
(p sich leicht experimentell ermitteln läßt und für Brennkraftmaschinen gleicher
Type jeweils gleichbleibt, kann man lediglich durch Austauschen des Leitkurvenstückes
das Funktionsgetriebe an die jeweilige Motortype anpassen, ohne daß dabei die übrigen
Teile verändert werden müssen.
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Für die nachstehende Beschreibung der Wirkungsweise der Einspritzanlage
nach Fig. 1 wird zunächst davon ausgegangen, daß die in Wirklichkeit sich mit der
Drehzahl geringfügig ändernde Spannung U2 einen konstanten Wert hätte und die Brennkraftmaschine
mit einer gleichbleibenden Drehzahl bei gleichbleibender Drosselklappenstellung
betrieben wird. Während jeweils zweier Kurbelwellenumdrehungen der Brennkraftmaschine
wird der mit der Nockenwelle 33 der Brennkraftmaschine umlaufende Unterbrechernocken
60 einmal in seine Schließstellung gebracht, bei welcher der mit ihm zusammenarbeitende
Unterbrecherarm 61 den feststehenden Gegenkontakt 62 berührt und dabei die Basis
des Eingangstransistors 22 über den ungeladenen Kondensator 63 mit der an die Minusklemme
einer Batterie 65 angeschlossenen Minusleitung 66 so in Verbindung bringt, daß der
kurze, über den Emitterwiderstand 67, die Emitter-Basis-Strecke des Transistors
22 und einen Gleichrichter 68 fließende Ladestromstoß des Kondensators 63 den vorher
gesperrten Transistor 22 stromleitend macht. Gleichzeitig sperrt der Transistor
22 den Ausgangstransistor 23 des Kippgerätes 20 und bringt dabei den an diesen angeschlossenen
Leistungstransistor 21 in seinen stromleitenden Zustand. Der dann über den Leistungstransistor
21 und die Magnetisierungswicklung 15 des Einspritzventils 13 fließende Strom J
hält das Einspritzventil so lange offen, bis sich der zum Zeitglied des Kippgerätes
gehörende Kondensator 24 auf eine Restspannung von etwa
0,3 Volt
entladen hat. Der Kondensator24 wird nämlich von dem im Ruhezustand stromleitenden
Ausgangstransistors 23 bis zum Schließungsaugenblick des Unterbrechers 60, 61, 62
an einer Spannung gehalten, die um so größer ist, je größer die Steuerspannung U1
ist. Im Schließungsaugenblick des Unterbrechers erzeugt der Kollektorstrom des Eingangstransistors
22 am Widerstand 27 einen solch starken Spannungsabfall UR, daß der Verbindungspunkt
P ein positives Potential annimmt, das nur wenig unter dem Potential der mit der
Plusklemme der Batterie verbundenen Masseleitung 70 und des an diese angeschlossenen
Emitters des Ausgangstransistors 21 liegt. Hierdurch wird gleichzeitig das Potential
der Basis des Ausgangstransistors 23 um die Spannung U, des in diesem Augenblick
noch voll aufgeladenen Kondensators 24 über das Emitterpotential hinaus angehoben,
so daß vom Schließungsaugenblick ab die Emitter-Basisspannung Ueb = UB-
UR- Ul + U2 - U1 ist, wenn mit UB die Spannung der Batterie
bezeichnet wird.
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Da der Ausgangstransistor jedoch nur so lange stromleitend bleiben
kann, solange sein Basispotential um etwa 0,3 Volt niedriger als sein Emitterpotential
ist, wird der Ausgangstransistor gesperrt. Erst wenn sich der Kondensator 24 so
weit entladen hat, daß das Basispotential des Ausgangstransistors 23 um 0,3 Volt
unter das Emitterpotential abgesunken ist, wird der Ausgangstransistor 23 wieder
stromleitend und sperrt dabei den Leistungstransistor 21
unter gleichzeitigem
Schließen des Einspritzventils 13. Die Steuerspannung U1 beeinfiußt in erheblichem
Umfang denjenigen Wert der Kondensatorspannung U, bei dem der Ausgangstransistor
23 wieder stromleitend wird und den Leistungstransistor 21 sperrt. Auf diese Weise
kann durch Verstellen des Schleifers 46 die Einspritzdauer und damit die bei jedem
Schließungsvorgang des Unterbrechers zur Einspritzung gelangende Kraftstoffmenge
so geändert werden, daß sich die in Fig.2 dargestellten Kraftstoffmengen einstellen.
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Die zweite Steuerspannung U2, die am Ausgang der nicht linearen, die
Gleichrichter 42 und 43 und die Widerstände 40 und 41 umfassenden Brücke abgegriffen
wird, hat lediglich die Aufgabe, im mittleren Drehzahlbereich eine geringfügige
Überhöhung der Einspritzmenge sicherzustellen, die dann erforderlich ist, wenn die
Brennkraftmaschine im mittleren Drehzahlbereich bei voll geöffneter Drosselklappe
läuft. Da infolge des dann großen Drosselklappenöffnungswinkels 99 der Schleifer
46 an dem mit a bezeichneten Anfang des Potentiometers 45 steht und
die Spannung U1 = 0 ist, kommt die zweite Steuerspannung U2 in diesem Fall voll
zur Wirkung. Im unteren Drehzahlbereich hat sie die eingezeichnete Richtung und
bewirkt eine Impulsverlängerung, im mittleren Drehzahlbereich nimmt sie mit zunehmender
Drehzahl ab und ergibt im oberen Drehzahlbereich die gewünschte Impulsverkürzung.