DE2426976A1 - Elektronische benzineinspritzung - Google Patents

Description

28. Mai 1974 Q/May.

PATENTANWALT DIPL. PHYS. H. QUARDER

7 STUTTGART 1

Richard-Wagner-Straße 16 Telefon 0711/244446-47

Anmelder: Wolfgang Klein

7031 Steinenbronn
Stuttgarter Str. 25

Elektronische Benzineinspritzung

Bei Verbrennungskraftmaschinen, die nach dem Ottoprinzip arbeiten, ist neben motorspezifischen Konstruktionsmerkmalen vor allem die Zusammensetzung des in einer Kolbenzylinder anordnung zur Entzündung gebrachten Verbrennungsgemisches von ausschlaggebender Bedeutung für die Abgaszusammensetzung. Da die Abgase und Verbrennungsrückstände mehr oder weniger giftige und gesundheitsschädliche Bestandteile enthalten, ist es Bestreben eines jeden Konstrukteurs von Verbrennungskraftmaschinen den Anteil der in den Abgasen und Verbrennungsrückständen enthaltenen Schadstoffe möglichst klein zu halten.

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Neben spezifisch motorbaulichen Maßnahmen wird dies vor allem durch eine exakt, dem stöchiometrischen Gesetz entsprechende Zusammensetzung des Kraftstoff-Luftgemisches erreicht.

Zur Gemischaufbereitung haben sich dabei im wesentlichen zwei Verfahren und Vorrichtungen durchgesetzt, mit denen mehr oder weniger gut ein stöchiometrisches Gemisch aus Kraftstoff, vorzugsweise Benzin, und dem Oxydationsmittel Luft hergestellt werden kann.

Das am weitesten verbreitete Verfahren ist die Zerstäubung des Kraftstoffes in einem sog. Vergaser, bei dem durch den von dem ansaugenden Kolben des Ottomotors erzeugten Unterdruck Luft durch einen verengten Querschnitt gezogen wird. Die im Bereich des verengten Querschnittes stark beschleunigte Luft reißt durch den dabei entstehenden Unterdruck aus einer Öffnung im Bereich dieses verengten Querschnittes Kraftstoffteilchen. Der Luftdurchtritt und damit auch die Menge der aus der Öffnung herausgesaugten Kraftstoffteilchen ist durch eine Drosselklappe steuerbar, mit deren Hilfe auf diese Weise auch die momentane Leistung des Verbrennungsmotors geregelt wird.

Die Praxis hat nun gezeigt, daß die Gemischaufbereitung mittels Vergaser nur in engen Grenzen und unter bestimmten Betriebsbedingungen befriedigende Ergebnisse bezüglich der Abgas zusammensetzung liefert.

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Der hauptsächliche Nachteil einer Vergaseranlage zeigt sich vor allem, im dynamischen Betrieb in Kraftfahrzeugen, wo Drehzahl, Last und Gemisch laufend und zum Teil sehr schnell wechseln..

Selbst mit aufwendigen konstruktiven Maßnahmen kann ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luftgemisch nicht unter allen vorkommenden Betriebsbedingungen erreicht werden.

Diese vorgenannten Unzulänglichkeiten der Zerstäubung des Kraftstoffes in Vergasern haben zur Entwicklung und zum zunehmenden Einsatz eines zweiten Verfahrens zur Aufbereitung des Kraftstoffes, der Benzineinspritzung, geführt.

Wirtschaftliche Bedeutung hat vor allem, die Saugrohreinspritzung erlangt. Von der Steuerungsseite her lassen sich derartige Saugrohreinspritzungen in zwei Systeme unterteilen, die mechanische Benzineinspritzung mit Steuerung durch den Saugrohrunterdruck bzw. den Staudruck gegen eine Stauscheibe im Ansaugweg, oder mit Steuerung durch Drehzahl und Drosselklappenstellung sowie die elektronische Einspritzung mit Steuerung durch Saugrohrunterdruck und Drehzahl oder mit Steuerung durch die Stellung einer Stauscheibe im Ansaugweg.

Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß nach Verschärfung der Abgasvorschriften eine ausreichende genaue Steuerung der Kraftstoffeinspritzung zur Erzielung eines stöchiometrischen Kraftstoff-Luftgemisches mit der mechanischen Benzineinspritzung und Steuerung durch den Saugrohrunterdruck nicht erreicht werden kann.

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Hauptursache hierfür ist die relativ hohe Kraft zur Steuerung der Einspritzmenge, die von einer mit dem Saugrohr verbundenen Membrandose aufgebracht werden muß, um die für die Einspritzmenge verantwortliche Stellung der Pumpenstößel des Einspritzgerätes zu verändern, die zudem während der Lebensdauer derartiger Geräte erheblichen Schwankungen unterliegt.

Der Hauptnachteil mechanischer Benzineinspritzung mit Steuerung durch Drehzahl und Drosselklappenstellung über einen Raumnocken ist neben der konstruktiv aufwendigen Bauweise über die Lebensdauer einer derartigen Anlage gesehen, die geringe Reproduzierbarkeit des Steuerungsvorganges. Mechanische Abnützung, unvermeidbare Verschmutzung und Materialdehnung sind wesentliche Störfaktoren. Nachteilig ist auch die schwierige Einstellung derartiger mechanischer Benzineinspritzsysteme sowohl bei der Herstellung als auch bei der späteren Reparatur.

Bei der mechanischen Benzineinspritzung mit Steuerung durch eine Stauklappe ergeben sich folgende Nachteile: über längere Zeiträume schlechte Reproduzierbarkeit der Staukraftübertragungsvorrichtungen (Reibung, Abnützung, Dehnung), sowie des Steuerkolbens,

Diese vorgenannten Nachteile mechanischer Benzineinspritzgeräte hat zu der Entwicklung elektronischer Einspritzgeräte mit Steuerung durch Saugrohrunterdruck und Drehzahl oder mit Steuerung durfh Stellungsänderung einer Stauscheibe im Luftstrom geführt. Dabei wird z.B. bei der Steuerung durch Saugrohrunterdruck und Drehzahl von einer elektrischen Kraftstoffpumpe aus einem Tank Kraftstoff angesaugt und in eine sog. Ringleitung gedrückt. Ein Druckregler sorgt dafür, daß bei Überschreitung eines bestimmten Druckes überschüssiger Kraftstoff in den Tank zurückfließt. An die Ringleitung sind nun elektromagnetische E in spritz ventile angeschlossen, die elektrisch betätigbar sind. Da der Druck unter dem der Kraftstoff in der Ringleitung steht,

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konstant gehalten wird, hängt die Einspritzmenge ausschließlich von der Zeitdauer, während der das Einspritzventil geöffnet ist, ab.

Die Einspritzzeit wird von einem Steuergerät vorgegeben, das seine Informationen von den einzelnen Informationsgebern am Motor erhält.

Der Einspritzbeginn wird dabei von der Stellung der Nockenwelle des Zündverteilers bestimmt, während die Einspritzzeit von zwei Faktoren abhängt: von der Drehzahl und vom Lastzustand des Motors, Die Drehzahl wird dem Steuergerät dabei wiederum von Kontakten im Zündverteiler in Form von elektrischen Impulsen geliefert.

Der Lastzustand des Motors kann von den Druckverhältnissen im Ansaugverteiler des Motors mittels eines Druckfühlers abgeleitet werden, der den ermittelten Druck in einen elektrischen Wert umwandelt und diesen dem Steuergerät weiterleitet.

Das Steuergerät verarbeitet diese Informationen zu einem Steuerimpuls, der dafür sorgt, daß die Einspritzventile länger oder kürzer öffnen und dadurch mehr oder weniger Kraftstoff eingespritzt wird.

Damit der konstruktive Aufwand im Steuergerät und folglich dessen Herstellungskosten in vertretbaren Grenzen bleiben, sind jeweils zwei Einspritzventile parallel geschaltet.

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Auch diese elektronischen Benzineinspritzungen sind jedoch nicht mehr in der Lage, verschärften Abgasbestimmungen, wie sie beispielsweise in den USA neuerdings in Kraft getreten sind und in anderen Landern erwartet werden, zu entsprechen, weil die Luftmenge, die während eines An saug vor gangs in den Zylinder gelangt, nur in grober Näherung dem mittleren Saugrohrdruck proportional ist, der jedoch zur Steuerung der Einspritzmenge des Kraftstoffes dient, so daß ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luftgemisch nicht immer erreicht wird.

Bei gegebenen Luftansaugwegen wird die Luftfüllung der Zylinder maßgeblich durch die schwingenden Gassäulen bestimmt. Diese hängen wiederum direkt von der Drehzahl des Motors und der augenblicklichen Stellung der Drosselklappe ab. Der mittlere Saugrohrdruck ist somit als Hauptsteuerungsgröße ungeeignet für die Bestimmung der augenblicklichen Luftmenge im Zylinder.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine elektronisches Benzineinspritzsystem zu schaffen, das bei allen vorkommenden Betriebszuständen von Verbrennungskraftmaschinen ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luftgemisch liefert und dadurch eine schadstoffarme Abgaszusammensetzung ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die für den Betriebs- und Lastzustand einer Verbrennungskraftmaschine charakteristischen Informationen, wie z. B. Drehzahl, Drosselklappenstellung,

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Saugrohrdruck, Temperatur, Abgaszusammensetzung, Luftmenge usw. über einen Speicher bzw. Zuordner als der jeweiligen Einspritzmenge zuord*~enbarer dualer Wert (Bitmuster) zur Steuerung der Einspritzmenge eingesetzt werden.

Dabei kann eine Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffgesamtmenge in Teilmengen erfolgen, wobei eine oder mehrere dieser Teilmengen konstant sein und die anderen, entweder einzeln oder zusammen, in ihrer Menge als Bitmuster dargestellt werden können.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die einzelnen charakteristischen Informationen dabei zunächst analog gemessen und anschließend digitalisiert werden, wobei die Informationen sowohl in analoger Form verknüpft und anschließend erst in digitale Form umgewandelt werden können, d.h. die Verknüpfung der Informationen kann sowohl in analoger als auch digitaler Form erfolgen, und zwar sowohl vor als auch nach dem Speicher bzw. Zuordner.

Es hat sich gezeigt, daß für eine abgasoptimale Steuerung der Kraftstoffzuteilung eines Ottomotors die Erfassung und Auswertung der Größen Drehzahl und Drosselklappenstellung ausreicht, sofern der Motor Betriebstemperatur hat und die Temperatur und der Druck der Ansaugluft konstant sind.

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Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend an einem Ausführungsbeispiel in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.

Von den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild und

Fig. 2 das Gesamtschaltbild einer elektronischen Benzineinspritzung nach vorliegender Erfindung,

Fig. 3a,

3b, 3c eine grafische Darstellung der Zuordnung zwischen Zündfolge und Einspritzfolge,

Fig. 4 das Impuls diagramm des Taktgebers,

Fig. 5 ein Impuls diagramm im Üb ergangsb ereich einzelner Bitmuster bei ungünstiger Phasenlage,

Fig. 6 ein Diagramm der optimalen Einspritzmenge bei verschiedenen Drehzahlen und unterschiedlichen Drosselklappenstellungen mit entsprechender Bitmusterzuordnung,

Fig. 7 ein weiteres Impuls diagramm,
Fig. 8 eine Zu satz schaltung zu der Schaltung von Fig. 2 und

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Abgasoptimierung.

509886/0502 -9-

Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen elektronischen Benzineinspritzung entspricht im Prinzip der mit einem Raumnocken arbeitenden mechanischen Benzineinspritzung, bei der die beiden Größen Drehzahl und Drosselklappenstellung zur Steuerung der Einspritzmenge miteinander verknüpft werden.

Mit dem nachstehend beschriebenen grundsätzlichen Aufbau des Steuergerätes der elektronischen Benzineinspritzung wird der Erkenntnis Rechnung getragen, daß ein Werte speicher für die Verknüpfung von Drehzahl und Drosselklappen stellung am günstigsten in digitaler Technik realisierbar ist.

Ob die bei vorliegendem Ausführungsbeispiel im Versuchsaufbau verwendete TTl-Technik sich auch späterhin bei einer evtl. Serienproduktion des Systems vorteilhaft verwenden läßt, sei jedoch dahingestellt.

Die bei der Realisierung vorliegender Erfindung zu lösende Aufgabe bestand im wesentlichen darin, die digitale Drehzahlinformation mit der ebenfalls in digitaler Form vorliegenden Drosselklappenstellung über das Speicherwerk so zu verarbeiten, daß für jedes Wertepaar ein Bitmuster entsteht, dessen Wert der sog. ZuS atz spritz zeit entspricht. Außerdem sollte jedes Einspritzventil einzeln gesteuert werden. Weiterhin sollte an der Grund spritz zeit zu einem späteren Zeitpunkt die diversen Korrekturen und die zu einer Regelung zurückgeführte Meßgröße der Abgasemmision angreifen.

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In Fig. 1 ist mit 1 der Speicher bezeichnet, dem über vier Zuleitungen 2 Informationen über die Stellung der Drosselklappe geliefert werden. Die Information über die Stellung der Drosselklappe wird dabei von einem nicht dargestellten Winkelcoder abgenommen und im 4 Bit-Binärcode (Dualzahlen) dem Speicher 1 mitgeteilt. Die Anschlußpunkte für den Winkelcoder sind in den Fig. 1 und 2 mit 3 bezeichnet, wobei das Bit mit dem höchsten Stellenwert die Bezeichnung MSB (Most Significant Bit) und das Bit mit dem niedrigsten Stellenwert die Bezeichnung LSB (Lowest Significant Bit) hat.

Der Winkelcoder kann 16 verschiedene Stellungen zwischen O erkennen. Nachstehende Tabelle zeigt seine kodierten Ausgangssignale:

Winkel in Grad Bitmuster

0 0000

5 0001

7,5 0010

10 0011

12,5 0100

15 0101

17,5 0110

20 Olli

25 1000

30 1001

35 1010

40 1011

50 1100

60 1101

70 1110

82 1111

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Die Zünderkennung und Zuordnung erfolgt mittels einer mit 4 bezeichneten Einrichtung, die ihre Informationen über die Anschlußpunkte Zl bis Z4 und die Zuleitungen 5 von den Zündkabel·! über die dazwischengeschalteten, hier nicht näher beschriebenen, Impulsformer, erhält. Wird z. B. der Zylinder Nr. 4 gezündet, so tritt an Z4 ein negativer Impuls auf; wird Zylinder Nr. 3 gezündet tritt ein Impuls an Z3 auf usw.

Da beim Viertaktmotor mit vier Zylindern immer ein Zylinder einen Ansaughub macht, wenn ein anderer Zylinder gezündet wird, kann der Zündfolge 1-4-3-2 eine Einspritzfolge 3-2-1-4 fest zugeordnet werden. Der Funktionsablauf ist in den Figuren 3a bis 3c veranschaulicht.

Die von den Zündkabeln abgeleiteten Informationen werden über eine digitale Drehzahlmessung 6 als Drehzahlinformation über die Leitungen 7 dem Speicher 1 zugeführt, gleichzeitig werden von der Zünderkennung und Zuordnung 4 die empfangenen Signale über die Leitungen 8 an eine Einspritzventil-Auswahllogik 9 und von dieser an die Ausgänge zu den Einspritzventilen El bis E4 gegeben.

Die einzelnen Elemente des in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbildes wirken folgendermaßen zusammen: wenn der Zylinder 2 gezündet wird, tritt an Z2 ein negativer Impuls auf, dieser Impuls schaltet über die Zünderkennungs- und Zuordnungsschaltung 4 das Einspritzventil E4 ein. Gleichzeitig wird dem Grundspritzzeitgeber 10 ein "Start"-Signal zugeleitet. Weiterhin wird die Information gespeichert, welcher Zylinder augenblicklich gezündet hat.

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Nach Ablauf der Gr und spritz zeit wird von dem Grundspritzzeitgeber 10 ein "Stop"-Signal an die Zünderkennung und Zuordnung 4 zurückgegeben. Diese wählt durch die vorher gespeicherte Information, welcher Zylinder zuvor gezündet wurde, die entsprechende Ventilgruppe aus und teilt dem Zusatzspritzzeitgeber 11 ein Startzeichen für die jeweilige Ventilgruppe mit. Der Zusatzspritzzeitgeber zählt nun im Zeittakt zurück bis zum Überlauf. Beim Überlauf wird ein "Stop "-Signal gegeben, das das geöffnete Einspritzventil wieder schließt.

Die Information, um wieviel Takte zurückgezählt werden soll, wird dem Zusatzspritzzeitgeber 11 von dem Speicher 1 in Abhängigkeit von Drehzahl und Drosselklappenstellung mitgeteilt.

Die Drehzahl wird bestimmt, indem über eine sog, Torzeit die Anzahl der Zündimpulse gezählt wird. Die Speichersteuerung 12 sorgt dafür, daß sich die Zusatzspritzzeit-Information während des "Nachladens" eines Zählers nicht ändern kann.

Die einzelnen Ventilgruppen sind folgendermaßen zusammengefasst: Gruppe A Zylinder Nr, 1 und 3, Gruppe B Zylinder Nr. 2 und 4.

Ein zentraler Taktgeber 13, der in vorliegendem Ausführungsbeispiel durch einen Quarz gesteuert wird, gibt den einzelnen Baugruppen exakte Zeitsignale,

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Nachfolgend wird in Verbindung mit Fig. 2 die Realisierung der einzelnen Baugruppenblöcke näher beschrieben.

Der Taktgeber

Die zentrale Steuerfrequenz von 1 MHz wird im ICl erzeugt.

Die Gatter Ic und Id stellen einen zweistufigen Oszillator dar; im Rückkopplung s zweig liegt der frequenzbestimmende Quarz Qz.

Die nachfolgenden Gatter la und Ib bewirken eine Impulsformung.

Durch IC2 und IC3 wird der 1 MHz - Takt auf 10 KHz heruntergeteilt.

An dem Punkt S*, an dem das Signal S abgenommen wird, soll zukünftig ein Stimmgabel-Oszillator-Baustein angeschlossen werden, dessen Ausgangs signal TT L-kompatibel ist (der in dem Ausführungsbeispiel verwendete Quarzoszillator mit einer Genauigkeit von 5 χ 10 ist für vorliegenden Zweck viel zu genau und zu teuer. Der Stimmgabel-Oszillator wird bei einer Genauigkeit von ungefähr

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1 χ 10 , die völlig ausreichend ist, erheblich preisgünstiger sein).

Durch IC4 und IC 5 wird das 10 KHz - Signal nochmals durch 100 geteilt, so daß an dem Punkt A ein 100 Hz - Signal zur Verfügung steht. IC6 teilt dieses Signal weiter zu dem Signal G von 10 Hz auf. Am IC 7 wird nach einer weiteren Teilung durch 2 das Signal H (5 Hz) abgegriffen, während am Ausgang von IC7 das 1 Hz - Signal SEC zur Verfügung steht, das für die zukünftige Abgasmeßeinrichtung benötigt wird.

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Zur Erzeugung der "Torzeit" für die Drehzahlmessung und um einige andere getaktete Vorgänge auszulösen, wird das Signal C benötigt. Dazu wird H in IC9a invertiert. G oder H ergibt das Signal C (IC9bnegative Logik); es ist ein positiver Impuls von 150 ms Länge und 50 ms Pause, wie aus dem Impuls diagramm von Fig. 4 _zu erkennen ist.

Da durch die Flankenüberschneidung von H und G unter Umständen nach 50 ms ein kurzer negativer Impuls (Länge ungefähr 30 ns) kommen kann, folgt auf IC9b und IC9c jeweils ein Tiefpassfilter. Die Grenzfrequenz ist so gewählt, daß die relativ langsamen gewünschten Impulse ohne nennenswerte Verzerrung übertragen werden, die hochfrequenten schnellen Störimpulse dagegen unterdrückt werden.

Die Signale C und A werden über das Nand-Gatter IC13a verknüpft. Da beide Signale synchron laufen, werden während jeder positiven Impulszeit von C (150 ms) genau 15 der von A kommenden 10 ms-Impulse in den Binärzähler IC14 eingezählt. Da der Zähler bei positiven Flanken weiterzählt, wird nach jeweils 10 ms der Zustand an den Ausgängen (A, B, C, D) verändert. Dieser Zustand wird durch die Decoder IC15 und ICH festgestellt. Werden nun die Ausgänge der Decoder von Takt "1" bis "9" über ein Oder-Gatter (IClO und IC16-negative Logik) entsprechend zusammengeschaltet, so erhält man am Ausgang das Signal I.

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Dieses Signal ist noch nicht brauchbar, da im Umschaltmoment des Zählers alle 10 ms ein ca. 50 ns kurzer negativer Störimpuls erscheint. Zwei Filter entfernen den Störimpuls; die erforderliche Flankensteilheit des Signals wird durch IC8 (Schmitt-Trigger) wieder hergestellt, worauf am Ausgang eine "Torzeit" von 90 ms T erscheint.

Diese Torzeit läßt sich von 10 ms bis 100 ms verändern, einfach durch die Verbindung der Decoderausgänge zum Oder-Gatter.

Die 90 ms der Torzeit wurde bei vorliegendem Ausführungsbeispiel aufgrund folgender Überlegung gewählt:

Die höchstzulässige Dauerdrehzahl des Motors wird mit 5000 U/min angenommen. Kurzzeitig dürfte eine Drehzahl von ca. 5300 U/min erreichbar sein. 5333 U/min bedeutet bei einem Viertakt-Vierzylindermotor, mit Zündung bei jeder halben Kurbelwellen drehung, eine Zündfolgefrequenz von ca. 178 Hz. Demnach entsteht alle 5, 625 ms ein Zählimpuls, Will man nun einen 4-Bit-Binärzähler bei dieser max. Drehzahl voll erhalten, benötigt man dazu 16x5, 625 ms - 90 ms. Aus dieser Überlegung ergibt sich dann auch die Aufteilung des Drehzahlbereiches in die verschiedenen Bitmuster. Die nachstehende Tabelle zeigt die entsprechende Zuordnung.

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Bitmuster

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 Olli 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

Der digitale Drehzahlmesser

Nach der Oder-Schaltung IC21 (negative Logik) steht eine der Drehzahl proportionale Zündfolge Z (Zündimpulse) zur Verfügung. Über das Und-Gatter IC17a und IC17b werden diese Impulse 90 ms lang dem Zähler ICl 8 zugeführt. Nach der Torzeit steht das Drehzahl-Ergebnis

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"¹⁷~ 242697b

am A, B₁, C, D-Ausgang des Binärzählers IC18 bereit. Alle 200 ms wird die Drehzahlmessung wiederholt. Dazu wird bei Takt "15" über IC12 den beiden Zählern IC18 und ICl4 ein ¹¹RESET-Impuls" von 20 ms Länge zugeführt (vgl. hierzu Fig. 4).

Da die Taktfrequenz, die den Messzyklus der Drehzahlmessung bewirkt, nicht synchron zur Zündimpulsfrequenz ist, kann es in den Übergangsbereichen der einzelnen Bitmuster durch ungünstige Phasenlage zu Fehlern in der Drehzahlmessung kommen. Diese Fehler sind jedoch nur in der Größenordnung eines Bits der niedrigsten Wertigkeit, wie aus Fig. 5 zu ersehen ist. Eine Steigerung der Meßgenauigkeit ist prinzipiell durch Verwendung eines 5, 6 oder mehrstelligen Bitmusters erreichbar. Der konstruktive Aufwand in allen Teilen des Gerätes erhöht sich aber dadurch wesentlich.
Der Speicher

Der Speicher IC28 erhält seine Informationen von den beiden Latches IC19 und IC20. Jeder 8-Bit-Adresse an seinen Eingängen (AO bis A7) entspricht ein bestimmtes Bitmuster an seinem Ausgang (01 bis 04). Dieses Bitmuster wird durch Drehzahl und Drosselklappenstellung gegeben und ist in Fig. 6 veranschaulicht.

Die Speicherkontrolle (Steuerung)

Da sich beim "Nachladen" der Zähler im Zusatzspritzzeitgeber die Ausgänge und somit auch die Eingänge nicht in ihrem Bitmuster ändern dürfen, sind den Speichereingängen sog. Latches vorgeschaltet. Diese übernehmen bei positivem Transfer-Eingang die Information von ihren

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Eingangsklemmen auf die Ausgangsklemmen. Verschwindet der Transfer-Impuls, so wird die Information an den Ausgängen gehalten.

Alle 200 ms, wenn die 90 ms - Torzeit zu Ende ist, steht das Ergebnis der Drehzahlmessung am Ausgang des IC18 bereit. Bei Takt "13" des Decoders wird für 10 ms ein Transfer-Impuls erzeugt, der ICl9 und IC20 öffnet. Damit stehen die kodierten Drehzahl-und Drosselklappeninformationen am Eingang des Speichers. Dies erfolgt jedoch nur, wenn der Ausgang des IC24c positiv ist, wenn also gerade nicht bei den Zählern nachgeladen wird.

Die Zünderkennung und Zuordnung und der Grundspritzzeitgeber.

aufbereiteten
Die/Zündimpulse, die der Reihe nach an Zl - Z4 - Z3 - Z2 eingegeben werden, sind kurze negative Signale von 200^us Dauer. Tritt also an einem der Zündeingänge ein solcher Impuls auf, gibt es an Z ein positives Signal von 200 jus Dauer. Dieses Signal wird über IC17c invertiert und triggert gleichzeitig IC31 und IC41, IC41 erzeugt einen positiven Transfer-Impuls von 100 us Dauer. Dieser Impuls bewirkt, daß die Zündinformation von den Eingangsklemmen zu den Ausgangsklemmen gelangt. Nach dem Transfer-Impuls .steht die Information, welcher Zylinder gezündet hat an den Eingangsklemmen des IC23a und des IC23b. Je nach dem zu welcher Ventilgruppe der zündende Zylinder gehört, steht an den Ausgängen von entweder IC23a oder IC23b ein positives Dauer signal.

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In der Zwischenzeit ist die 1, 5 ms lange Impulsdauer von IC31, dem Grundspritz zeitgeber, vorbei. Die negative Flanke seines Ausgangsimpulses triggert IC30. Dieser gibt für 10 /as einen positiven Impuls an die Eingänge der Gatter IC37a und IC37b. Je nach dem, welcher Gruppe der Zündimpulse über IC23a und IC23b zugeordnet wurde, wird entweder IC33a oder IC33b über "PRESET" gesetzt.

Am Grundspritzzeitgeber IC 31 sollen später die rückgeführten Größen der Abgasmessung eingreifen. Eine dadurch stattfindende Veränderung der Grundspritzzeit bewirkt eine Verschiebung des Kraftstoff-Grundniveaus,

Der Zusatzspritzzeitgeber.

Nimmt man an, der IC33a sei gerade durch "PRESET" gesetzt worden, weil z.B. der Zylinder 1 gezündet hat und die Grund spritz zeit abgelaufen ist, wird durch das positive Signal an Q IC25a geöffnet. Dieser läßt dann die Takte S über IC25c in den Teiler IC27 ein. Die durch 5 geteilten Ausgangsimpulse des Teilers werden dem Abwärtszähler IC34.zugeführt. Je nach dem welches Bitmuster in diesen Abwärtszähler beim letzten "Nachladen" eingegeben wurde, beginnt dieser mit jedem Takt von dieser eingegebenen Binärzahl 1 Bit weiter abzuziehen. Erreicht er die Stellung ¹¹OOOO" dann ist die Zeit, die vergangen ist seit dem ersten Taktimpuls, das Produkt aus dem Wert des Binärmusters und dem zeitlichen Abstand der Taktimpulse.

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Wurde z.B. über die Eingänge "A, B, C,D" vorher "Uli" eingelesen, und ist der Taktabstand 500 us, dann beträgt die Zeit 16 χ 0, 5 ms = 8 ms,

Der "Null"-Zustand wird hier nicht identifiziert, weil z.B. über "AjBjC₁D" auch "OOOO" eingelassen werden kann, was zur Instabilität der Schaltung führt.

Um diesen Schwierigkeiten zu entgehen, wird der Zustand "Überlauf" (Overflew OVF) festgestellt.

Überlauf tritt auf, wenn von der Stellung "0000" noch ein weiterer Takt abgezogen wird. Die Zeit, die bis zum Überlauf vergeht, ist die Zeit bis zur Stellung "0000" + 1 Takt Abstand (500 ^us). Tritt also an IC34 "Überlauf" auf, dann wird über IC37d der Monoflop IC32 getriggert. Dieser erzeugt einen Impuls von 120 us, Der positive Impuls setzt den Teiler IC27 zurück, während der negative Impuls über die "CLEAR"-Eingänge den IC33 und den gesetzten Flip-Flop des Einspritzventils zurücksetzt.

Der Grund warum der Takt S erst durch 5mnd dann dem Aefwärtszähler zugeführt wird, ist leicht einzusehen. Angenommen ein Gatter habe einen 500 «s - Takt direkt zum Abwärtszähler freigegeben. Kurz bevor das Gatter geöffnet wurde, war der letzte Taktimpuls vergangen; nach ca, 400 μβ tritt ein neuer ein. Erst jetzt beginnt der Zähler abwärts zu laufen. Seiner Endzeit ist deshalb 400 us zuzuzählen. Um

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_ οι _

diesen Effekt auszuschalten, wird hier ein 100 *us - Takt verwendet, der anschließend durch 5 geteilt wird. Der Fehler beträgt dann nur noch max. 100 ^us, was durchaus tragbar ist.

Wird der IC33b durch eine Zündung an Z2 oder Z4 gesetzt, läuft über die zugehörigen ICs derselbe Vorgang ab.

Fällt entweder IC33a oder lC33b durch ein "CLEAR"-Signal zurück, wird IC35 bzw. IC39 getriggert. Diese beiden Monoflops erzeugen einen kurzen negativen Impuls von 10 us Dauer, der die entsprechenden Abwärtszähler nachlädt. Sollte während dieser Zeit am Decoder ICH der Takt "13" auftreten, wird über lC23d und IC24c ein Transfer-Signal unterbunden (vgl. hierzu Fig. 7).

Die Einspritzventil-Auswahllogik

Jedem Einspritzventil ist ein eigenes Flip-Flop zugeordnet. Tritt an Zl bis Z4 ein negativer Zündimpuls auf, wird das entsprechende Flip-Flop gesetzt. Nach Ablauf der Spritzzeit wird beim Überlauf des zugehörigen Zählers ein "CLEAR" zu den beiden Flip-Flops einer Gruppe gegeben. Da sowieso immer nur ein Flip-Flop einer Gruppe gesetzt ist, wird dieses zurückgesetzt, während das andere ungesetzt bleibt.

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Das Sperren der Kraft stoffzufuhr während des Schiebebetriebes.

Diese Einrichtung ist in vorliegendem Schaltungsbeispiel von Fig. 2 noch nicht enthalten. Da diese Maßnahme eine weitere Abgasemmisionsverminderung zuläßt, wird nachstehend eine derartige Einrichtung in Verbindung mit Fig. 8 beschrieben.

Über ein Nand-Gatter 21 bis 24 und einen Inverter 25 bis 28 gelangen die Einspritzimpulse der einzelnen Einspritzventile El bis E4 zu den Endstufen. Der zweite Eingang der Nand-Gatter 21 bis 24 ist zusammengefasst und führt zum Ausgang des IC44, Wird hier der Pegel "Null", dann wird die Ansteuerung der Endstufen unterbrochen, d.h. die Kraftstoffzufuhr gesperrt. Daß es dazu kommen kann, wenn die beiden Eingänge des Nand-Gatters IC44 positiv sind, ist einleuchtend. Diese Eingänge sind aber nur positiv,wenn IC43 (Nor) die Stellung "0000 " der Drosselklappe erkennt und wenn die Stellen C oder D der Drehzahlinformation 6 mit einer "1" besetzt sind. Dies ist der Fall, wenn die Drehzahl 1333 U/min übersteigt (vgl. hierzu die Tabelle auf Seite 16).

Sinkt die Drehzahl unter 1333 U/min oder wird die Drosselklappe wieder geöffnet, gelangen auch die Einspritzimpulse wieder zu ihren Endstufen und Einspritzventilen.

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Schutz des Motors vor Überdrehen durch entsprechende Programmierung des Speichers.

Wird der Motor z.B. bei vollgeöffneter Drosselklappe (82 ) mit 5400 U/min überdreht, dann zählt während der Drehzahlmessung der Zähler IC18 über den Stand "Uli" hinaus auf "0000", was nach der Programmierung zur Folge hat, daß die Einspritzzeit schlagartig von 7,5 ms auf 2 ms zurückgeht. Da die Drehzahlmessung alle 200 ms durchgeführt wird, kann davon ausgegangen werden, daß durch diese verminderte Kraftstoffzufuhr und dem damit verbundenen Absinken der Drehzahl der Motor noch wirksam geschützt wird.

Die Ermittlung der optimalen Einspritzmenge für jede Stellung der Drosselklappe und jede Drehzahl des Motors wird bei der erfindungsgemäßen elektronischen Einspritzung nach Fig. 9 vorgenommen. Dabei fördert eine elektrische Pumpe 31 über ein Filter 32 Kraft-. stoff aus einem Kraftstofftank 33 in eine Ringleitung 34, die zu sämtlichen Einspritzventilen 35 des Motors 36 führt.

Ein Druckregler 37 begrenzt den Druck des Kraftstoffes in der Ringleitung 34 auf 2 atü. Überschüssiger Kraftstoff fließt durch eine Rückleitung 38 in den Kraftstofftank 33 zurück.

An den Meßgeräten des Motorprüf stan des können direkt die Größen Drehzahl (n), Drehmoment (Md) und Leistung (N) abgelesen werden.

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Über ein auspuffseitig angeschlossenes automatisches Chemie-Analyse-Verfahr en können laufend CO-, CO2-,O2-, CH- und NOx-Gehalt der Abgase gemessen und registriert werden.

Von dem laufenden Motor werden dabei von der Zündung Trigger-Impulse abgeleitet, die über eine Auslöseschaltung 39 das Ansprechen des Ventilsteuergerätes 40 bewirken. Die Dauer der Einspritzimpulse ist von Hand steuerbar, womit auch die eingespritzte Kraftstoffmenge, die der Einspritzzeit proportional ist, steuerbar wird. Mit einem Pulsbreitenmesser 41 wird die Länge der Einspritzzeitimpulse genau ermittelt, die durch einen Oszillographen 42 zusätzlich kontrolliert werden kann.

Zur Lei stungs abnähme am Motor dient ein elektrischer Umformer 43, der entweder als Generator dem Motor Leistung entzieht oder in Nachbildung des Schiebebetriebes im Kraftfahrzeug den Motor antreibt.

Die Einstellung des Steuergerätes erfolgt dann in der Weise, daß bei einer bestimmten Drehzahl des Motors, beispielsweise 600 U/min, die Drosselklappe alle Stellungen von 0 bis Vollast durchläuft. Über den als Leistungsbremse fungierenden elektrischen Umformer wird dabei die Drehzahl des Motors konstant gehalten. Die Einspritzmenge wird daraufhin am Handsteuergerät 40 so verstellt, daß sich eine vollständige, möglichst saubere und schadstoff arme Verbrennung ergibt. Dieses Verfahren wird für alle Drehzahlen wiederholt; es führt dann zu dem in Fig. 6 dargestellten Diagramm, das eine eindeutige Zu-

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Ordnung eines Binärmusters zu einer bestimmten Einspritzmenge bzw. einer bestimmten Einspritzzeit ergibt. Die Drosselklappenstellung tritt bei der dargestellten Kurvenschar als Parameter auf. Anzumerken ist, daß im Vollastbereich, also bei Drehzahlen ab 3000 U/min und Drosselklappenwinke
Kraftstoffüberschuß gearbeitet wird.

3000 U/min und Drosselklappenwinkeln von 70 bis 82 mit leichtem

Das auf vorbeschriebene Weise ermittelte Bitmuster wird über das Speicherwerk zur Festlegung der Zusatz spritz zeit ausgewertet.

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Claims (16)

An spriiehe

1. W erfahr en zur elektronischen Steuerung der Kraftstoffeinspritzung — bei Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Betriebs- und Lastzustand einer Verbrennungskraftmaschine charakteristischen Informationen, wie z.B. Drehzahl, Drosselklappenstellung, Saugrohr druck, Temperatur, Abgaszusammensetzung, Luftmenge usw. über einen Speicher bzw. Zuordner als der jeweiligen Einspritzmenge zuordenbarer dualer Wert (Bitmuster) zur Steuerung der Einspritzmenge eingesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer bestimmten Kraftstoffeinspritzungsmenge ein fester dualer Wert (Bitmuster) zugeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamteinspritzmenge des Kraftstoffes in einzelne Teilmengen aufgeteilt wird, wobei eine oder mehrere dieser Teilmengen konstant sein können und die anderen, entweder einzeln oder zusammen, in ihrer Menge als Bitmuster dargestellt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Betriebs- und Lastzustarid eines Verbrennungsmotors charakteristischen Informationen in digitaler Form zu einem der jeweiligen entsprechenden Einspritzmenge zuordenbaren dualen Wert (Bitmuster) verarbeitet wird.

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5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für eine abgasoptimale Steuerung eine Ottomotors ausschließlich die Drehzahl und die Drosselklappenstellung herangezogen werden, sofern der Motor Betriebstemperatur hat und Temperatur und Druck der Ansaugluft konstant sind.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Niederdrucksaugrohreinspritzung mit konstantem Kraftstoffdruck und veränderlicher Öffnungszeit der Einspritzventile die Einspritzzeit als digitaler Wert (Bitmuster) dargestellt wird,, der zuvor aus den charakteristischen Informationen des Betriebszustandes des Motors ermittelt und über einen Speicher ausgewertet wurde.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für jeden Last- und Betriebszustand des Motors geltende Einspritzzeit (Bitmuster) durch einen Zeittakt, während dem die Einspritzung erfolgt, abgezählt wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der Einspritzmenge entsprechende Einspritzzeit in eine feste Grundspritzzeit und eine variable Zusatzspritzzeit aufgeteilt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Abgasanalyse eine Regelgröße gewonnen wird, die über eine Rückkopplung die Kraftstoffmenge auf ein optimales Ab gas verhalten des Motors ausregelt.

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10. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch Abgasanalyse gewonnene
Regelgröße die Kraftstoffeinspritzmenge auf ein abgasoptimales
Verhalten des Motors hin ausregelt.

11. Verfahren nach Anspruch 1O_-, dadurch gekennzeichnet, daß bei
Über- oder Unterschreitung eines vorgegebenen Sollwertes der
CO-Konzentration ein Regelvorgang ausgelöst wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelvorgang nur im Leerlauf und nach einer bestimmten Zeit vorgenommen wird, die Regeleinstellung bei einem zwischenzeitlich auftretenden Lastspiel bis zum nächsten Leerlauf erhalten bleibt.

13. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine entsprechende Auslegung
des Bitmusters der Motor vor Überdrehung und anderen gefährlichen Zuständen geschützt wird.

14. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Schiebebetrieb des Motors bei erhöhter Drehzahl eine Kraftstoffabsperrung erfolgt.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Betriebs- und Lastzustand einer Verbrennungskraftmaschine charakteristischen Informationen als der jeweiligen Einspritzmenge zugeordneter dualer Wert

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(Bitmuster) über einen Speicher bzw. Zuordner (1) zur Steuerung der Einspritzmenge einsetzbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen Winkelcoder zur Erkennung der momentanen Drosselklappenstellung, der seine Informationen in einem Binärcode einem Speicherwerk (1) zuleitet, eine Zünderkennung und Zuordnung (4), die die digitale Drehzahlinformation ebenfalls auf das Speicherwerk (1) gibt, einen mit der Zünderkennung und Zuordnung (4) verbundenen Grundspritzzeitgeber (10) sowie einen Zusatzspritzzeitgeber (11), der seine Informationen über den Speicher (1) und einen Taktgenerator (13) erhält, der die Torzeit für die digitale Drehzahlmessung (6) liefert, sowie eine Einspritz ventil-Auswahllogik (9), die sowohl mit der Zünderkennung und Zuordnung (4) als auch mit dem Zusatzspritzzeitgeber (11) verbunden ist.

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