DE2523388A1

DE2523388A1 - Verfahren zur steuerung des tastverhaeltnisses einer in ihrer frequenz veraenderbaren impulsspannung

Info

Publication number: DE2523388A1
Application number: DE19752523388
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Borst; Ernst-Olav Dr Ing Pagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1975-05-27
Filing date: 1975-05-27
Publication date: 1976-12-09
Also published as: SE409346B; JPS51144836A; SE7601759L; US4099507A; GB1552638A; IT1081064B; FR2312882B1; FR2312882A1; DE2523388B2

Description

R. 26 9 5

15-5.1975 Mü/Hm

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, 7 STUTTGART 1

Verfahren zur Steuerung des Tastverhältnisses einer in ihrer Frequenz veränderbaren Impulsspannung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung des Tastverhältnisses einer in ihrer Frequenz veränderbaren Impulsspannung, insbesondere der Spannung an der Zündspule einer Brennkraftmaschine, und eine Vorrichtung zur Durchführung ces Verfahrens.

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Der Steuerung des Stromflusses durch die Zündspule bei Brennkraftmaschinen kommt eine immer größere Bedeutur;,. υ., um das Verhältnis von Kosten und Leistung der Zündanl ί ;■ klein zu halten. Die zur Verfügung stehende Zündenergi .-.· ist nämlich bei einer bestimmten Stromflußdauer am günstigsten. Als ausreichend hat sich die Dauer von drei Zeitkonstanten aus Spuleninduktivität und Spulenwiderstand für die Stromflußdauer herausgestellt, während eine Öffnungszeit, d.h. die Unterbrechungsdauer des Stromflusses von etwa 1 Millisekunden nicht unterschritten werden sollte. Gerade das Einhalten der minimalen Öffnungszeit bringt bei schnelllaufenden Brennkraftmaschinen mit vielen Zylindern Probleme mit sich, da hier der zeitliche Abstand von Zündung zu Zündung sehr klein wird.

Mit herkömmlichen mechanischen Steuerungen der Offen- und Sehließzeit sind sowohl in der Genauigkeit als auch in der Lebensdauer Grenzen gesetzt. Bekannten analogen Systemen haftet der Nachteil an, temperatur« sowie alterungsempfindlich zu sein, und es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, ein digitales Steuersystem für den Stromfluß durch Zündspulen zu schaffen, das äußerst genau, temperaturunempfindlich und wartungsfrei ist. Gelöst wird diese Aufgabe mit einem für digitale Baugruppen geeigneten Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens zwei in ihrer Frequenz und in ihrer Länge unterschiedliche Impulsfolgen einem Zähler zugeführt werden, der Zähler mit jedem Auslöseimpuls einer Zündwinkel-Berechnungsstufe auf einen bestimmten Wert gesetzt wird und Impulsdauer und Periodendauer der Impulsspannung sich aus der Zählzeit unterhalb und überhalb eines bestimmten Zählerstandes des Zählers ergibt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Länge der ersten Impulsfolge drehzahlabhängig ist und diese Abhängigkeit erst ab einer bestimmten Drehzahl gegeben ist.

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Man erreicht mit diesen Maßnahmen bis zu einer bestimmten, vorwählbaren Drehzahl eine konstante Schließzeit, d.h_. Stromflußzeit durch die Zündspule. Bei höheren Drehzahlen tritt eine Beschränkung der Schließzeit zugunsten der Offenzeit ein, um dem Zündfunken genügend Brenndauer zu geben. Ein zeitlieh langer Zündfunke ist bei vielen Motoren die Voraussetzung einer vollständigen Gemischverbrennung und damit auch Voraussetzung für ein schadstoffreies Abgas.

Das oben beschriebene Verfahren wird mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch realisiert, daß dem Zähleingang eines Zählers über einen Schalter Impulsfolgen mit in ihrer Frequenz unterschiedlichen Vielfachen zur Frequenz des Eingangssignales zuführbar sind, der Rücksetzeingang des Zählers und der Auslöseeingang eines Zeitgliedes mit einer Zündwinkel-Berechnungsstufe verbunden sind, der Ausgang des Zeitgliedes mit dem Steuereingang des Schalters gekoppelt ist, und dem Zähler eine Zählerstands-Dekodierstufe nachgeschaltet ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Zählerstands-Dekodie.rstufe eine Kippstufe nachgeschaltet ist, deren Ausgang zu einem ersten Eingang eines UND-Gatters führt und der zweite Eingang mit dem Ausgang des Zeitgliedes in Verbindung steht.

Um ein drehzahlabhängiges Ausgangssignal zu erhalten, ist es zweckmäßig, daß einem Steuereingang des Zeltgliedes eine Drehzahl-Dekodierstufe vorgeschaltet ist.

Ein Beispiel der Erfindung ist in einer Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Steuerung des Tastverhältnisses von Schließ- und Offenzeit für den Stromfluß durch eine Zündspule,

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Fig. 2 eine Darstellung des Zählerstandes über den ■ belwellenwinkel, und

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit von Schließ- und Offenzeit über der Drehzahl.

In Fig. 1 ist mit IO ein Zähler bezeichnet, der einen Zähieingang 11, einen Rücksetzeingang 12 sowie einen mehrpoligen Ausgang 13 besitzt. Dem Zähleingang 11 ist ein Schalter 15 mit einem Steuereingang 16 vorangestellt. Während ein Eingang 17 des Schalters 15 direkt mit dem Ausgang 20 eines Drehzahlgebers 21 gekoppelt ist, ist zwischen dem zweiten Eingang und dem Ausgang 20 des Drehzahlgebers eine Frequenzvervielfacherstufe 19 angeordnet. Der Ausgang 25 einer Zündwinkel-Berechnungsstufe 26 ist einmal mit dem Rücksetzeingang 12 des Zählers 10 gekoppelt, ferner mit einem Rücksetzeingang eines SR-Flip-Flops 27 und schließlich mit dem Auslöseeingang 29 eines Zeitgliedes 30. Zwischen einem Steuereingang dieses Zeitgliedes 30 und dem Ausgang 20 des Drehzahlgebers 21 befindet sich noch eine Drehzahldekodierstufe 32. Dem tnehrpoligen Ausgang 13 des Zählers 10 -folgt eine Zählerstands™ Dekodierstufe 33, deren Ausgang mit dem Setzeingang des SR-Flip-Flops 27 verbunden ist. Nachg;eschaltet ist dem nichtinvertierenden Ausgang des SR-Flip-Flops 27 ein Eingang 35 eines UMD-Gatters 36, dessen zweiter Eingang 37 über einen Inverter 38 mit dem Ausgang 39 des Zeitgliedes 30 gekoppelt ist. Von diesem Ausgang 39 des Zeitgliedes 30 führt noch eine Leitung k0 zum Steuereingang l6 des Schalters 15· Dem Ausgang kl des UND-Gatters 36 folgt schließlich noch eine bekannte Ansteuerschaltung 4ij für eine Zündspule.

Die Schaltungsanordnung von Fig. 1 läßt sich am besten anhand von Fig. 2 erläutern. Aufgetragen ist in Fig. 2 der Zählerstand des Zählers 10 über dem überstrichenen Kurbelwellemd.nkel. Die einzelnen Auslösewinkel für die Zündung sind durch die Zündwinkel-Berechnungsstufe festgelegt und es

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muß daher bestimmt werden, zu welcher Zeit, bzw. bei welchem Winkel der Strom durch die Zündspule eingeschaltet werden muß, um den gewünschten energiereichen Zündfunken zu erhalten. Wird beim Drehzahlgeber z.B. eine Winkelauflösung von einem Grad gewählt, so findet bei einer 4-Zylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine jeweils nach l30 Impulsen des Drehzahlgebers ein Zündvorgang statt. Wenn laufend diese Drehzahlgeber-Impulse gezählt werden würden, so ergäbe das bei jedem Zählerstand von l80 ein Auslösesignal. Dieser Fall ist in Fig. mit einer gestrichelten Linie deutlich gemacht, die bei gleichem Maßstab von Kurbelwellenwinkel und Sählerstand eine Gerade mit 45 Grad Steigung bildet.

Nach jedem Zündungsimpuls wird das Zeitglied J>0 eingeschaltet und bringt den Schalter 15 in die in Fig. 1 gezeigte Stellang. Dadurch v/erden im Zähler Impulse mit einer vervielfachten Frequenz gegenüber der Frequenz des Ausgangssignales des Drehzahlgebers 21 aufaddiert. Dies ergibt eine Gerade im Diagramm in Fig. 2 mit einem größeren Winkel als 45 Grad. Der Schalter 15 wird nach Ablauf der im Zeitglied festgelegten Zeit tO, was einem Winkel <*_c entspricht, wieder umgeschaltet, wodurch der Zähler 10 nun direkt die Impulse des Drehzanlgebers 21 weiterzählt. Hat der Zählerstand eimm Wert erreicht, bei dem die Zählerstands-Dekodierstufe 33 ein Ausgangssignal abgibt, dann wird das nachfolgende SR-Flip-Flop 27 gesetzt und an seinen nichtinvertierenden Ausgang erscheint ein positives Signal. Bei niedrigen Drehzahlen ist die Zeit tO so klein, caß das Ausgangssignal des Zeitgliedes 30 bereits abgefallen ist, bevor der Zähle?·*- stand den in der Zählerstands-Dekodierstufe vorbestimmten Wert erreicht hat. Dann liegen an beiden Eingängen 35 und 37 des UND-Gatters 36 positive Signale an, und damit kann auch die Ansteuerschaltung'42 für die Zündspule eingeschaltet werden. In Fig. 2 sind zur Unterscheidung der drei hier verwendete Winkelbereiche die Winkelbezeichnungen °<-o3 «yund<<i eingetragen. Der Winkel <*.c entspricht dem Schließwinkel.

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Wird die Zeit tO des Zeitgliedes 30 erhöht, oder aber bei gleichem tO die Drehzahl, so verkleinert sich der Winkelbereich ^r-. Hieraus ist zu ersehen, daß man mit der Zeit tO des Zeigliedes 30 den Winkelbereich <*s und somit auch die Zeit t (Schließzeit) auf einen vorwählbaren Wert einstellen kann. Bei weiterer Drehzahlerhöhung bei gleichbleibendem tO vergrößert sich dann der- Schließwinkel oCs + und die Schließzeit t wird von der Drehzahl unabhängig. Darf das Verhältnis zwischen Schließzeit und Offenzeit einen gewissen Wert nicht überschreiten, z.B. wegen Erwärmung der Zündspule oder der Ansteuerschaltung *J2, muß beim Erreichen dieses Tastverhältnisses die Ausgangsspannung des Gatters so gesteuert werden, daß die Einschaltzeit tO des Zeitglieaes 30 mit steigender Drehzahl verkürzt wird. Diese Maßnahme hat eine gleichzeitge Verkürzung von Schließ- und Offenzeit zur Folge, und das Verhältnis der beiden Zeiten zu'einander wird dadurch konstant.

Das UND-Glied 36 sorgt in Verbindung mit dem Inverter 38 dafür, daß die Schließzeit erst dann beginnt, wenn das Ausgangssignal des Zeitgliedes 30 wieder abgefallen ist. Das SR-Flip-Plop 27 gibt nämlich in jedem Fall beim Erreichen des in dor Zählerstands-Dekodierstufe 33 enthaltenen Wertes ein Signal ab. Da dieses Signal bei hoher Drehzahl und gleichzeitiger großer Zeit tO vor Ablauf dieser Zeit tO auftreten kann, muß für eine Verzögerung des Ansteuersignales für die Ansteuerschaltung 42 der Zündspule gosorgt werden.

Fig. 3 zeigt das Verhältnis von Schließzeit (ts) zur Periodendauer (tp) des Zündungssignales aufgetragen über der Drehzahl. Der Quotient aus diesem Verhältnis und der Drehzahl gibt wegen dem umgekehrt proportionalen Zusammenhang zwischen Periodendauer und Drehzahl eine Konstante, d.h. eine Drehzahlabhängigkeit ist nicht mehr gegeben. Eine konstante Schließzeit hat daher eine Ursprungsgerade zur Folge.

Zur Herleitung, der Gerade mit negativer Steigung für konstante Offenzeit dient der folgende Ansatz. --+ bezüglich der Gesamtperiodendauer

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t = ts + to j t = — (c = Konstante)

Erkennbar ist die lineare Abhängigkeit des Verhälti. .sses von Schließzeit zur Periodendauer von der Drehzahl.

Aus Gründen des Energieverbrauches in der Zündspule und der damit zusammenhängenden Erwärmung sollte dieses Verhältnis nicht zu groß werden. Daher ist ein konstantes Verhältnis ab einer bestimmten Drehzahl vorzusehen, was sich dann als eine Parallele zur waagrechten Achse darstellen läßt.

Mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung läßt sich dieses in Fig. 3 dargestellte Verhältnis über der Drehzahl realisieren, indem bis zum Drehzahlwert nk das Zeitglied 30 mit einer konstanten Torzeit to arbeitet und über dieser Drehzahl die Torzeit abhängig von der Drehzahl gewählt wird. Auf diese Weise kann sowohl die energiemäßig günstigste Schließzeit für die Zündspule al" auch die minimale Offenzeit optimal eingestellt werden.

Die in Fig. 1 gekennzeichneten Bausteine sind Stand der Technik und käuflich.

Frequenzvervielfacherstufe 19 CD 401*1 RCA Zeitglied 30 CD Ί0Ί7Α

Zähler 10 CD 4029

Als Dekodierstufen 32 und 33 lassen sich logische Gatter verwenden.

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Claims

■b- Ansprüche

1.) Verfahren zur Steuerung des Tastverhältnisses einer in ihrer Frequenz veränderbaren Impulsspannung, insbesondere der Spannung an der Zündspule einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei in ihrer Frequenz und in ihrer Länge unterschiedliche Impulsfolgen einem Zähler (10) zugeführt werden, der Zähler (10) mit jedem Auslöseimpuls einer Zündwinkel-Berechnungsstufe (26) auf einen bestimmten Wert gesetzt wird und Impulsdauer und Periodenöauer der Impulsspannung sich aus der Zählzeit unterhalb und überhalb eines bestimmten Zählstandes des Zählers ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der ersten Impulsfolge drehzahlabhängig ist.

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit ab einer bestimmten Drehzahl gegeben ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der beiden Frequenzen der zwei Impulsfolgen wählbar ist.

5· Verfahrer, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer -j,sr Impuls spannung von der Länge der ersten Impulsfolge abhängig ist.

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6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zähleingang (11) des Zählers (10) über einen Schalter (15) Impulsfolgen mit in ihrer Frequenz unterschiedlichen Vielfachen zur Frequenz des Eingangssignales zuführbar sind, der Rücksetzeingang (12) des Zählers (10) und der Auslöseeingang (29) eines Zeitgliedes (30) mit einer Zündwinkel-Berechnungsstufe (26) verbunden sind und der Ausgang

(39) des Zeitgliedes (30) mit dem Steuereingang (16) des Schalters (15) gekoppelt ist, und dem Zähler (10) eine Zählerstands-Dekodierstufe (.53) nachgeschaltet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählerstands-Dekodierstufe (33) eine Kippstufe (27) nachgeschaltet ist, deren Ausgang zu einem ersten Eingang (35) eines UND-Gatters (36) führt und ler zweite Eingang (37) mit dem Ausgang (39) des Zeitgliectes (30) in Verbindung steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5_S dadurch gekennzeichnet, daß einem Steuereingang (31) des Zeitgliedes (30) eine Drehzahl-Dekodierstufe (32) vorgeschaltet ist.

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