DE2805028A1 - Vorrichtung zur steuerung eines elektromagnetischen ventils - Google Patents

Vorrichtung zur steuerung eines elektromagnetischen ventils

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventils, das beispielsweise zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine verwendbar ist.
Bei einem elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem ist an einer Maschine zur Zuführung von Kraftstoff im Ansprechen auf ein Impulssignal ein elektromagnetisches Ventil vorgesehen. Das elektromagnetische Ventil weist eine Elektromagnet-Spule und ein Ventilelement auf, welches in der Weise geöffnet wird , daß es bei Erregung der Elektromagnet-Spule durch das Impulssignal öffnet, um die Maschine mit dem Kraftstoff zu versorgen.
Dabei ist es bekannt, daß die Elektromagnet-Spule zu Beginn der Erregung zum öffnen des Ventilelements aus
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der Schließstellung eine große elektrische Energiemenge benötigt, wogegen sie nach dem vollen öffnen des Ventilelements eine geringe elektrische Energiemenge braucht.
Zur Verminderung des elektrischen Energieverbrauchs ohne Verschlechterung des Ansprechens bei dem Ventilöffnungsvorgang wurde in der JP-PS 50-7211 (US-Patentanmeldung 130 349 vom 1. April 1971) vorgeschlagen, an dem elektromagnetischen Ventil zuerst eine Konstantspannungssteuerung und danach eine Konstantstromsteuerung auszuführen. Der Wechsel von der Konstantspannungssteuerung auf die Konstantstromsteuerung wird dann ausgeführt, wenn der zur Elektromagnet-Spule fließende Strom eine vorbestimmten Wert übersteigt. Obgleich diese Steuerungsart dahingehend vorteilhaft ist, daß der elektrische Energieverbrauch auf eine minimale und notwendige Menge verringert wird, kann die vorgeschlagene aufeinanderfolgende Steuerung nicht bewerkstelligt werden, wenn die Spannung an einer Batterie sehr niedrig wird. Wenn die Spannung an der Batterie, die die Elektromagnet-Spule mit der elektrischen Energie speist, außerordentlich niedrig wird, übersteigt der zur Elektromagnet-Spule fließende Strom nicht den vorbestimmten Wert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der unterschiedlich zu der vorstehend beschriebenen bekannten Vorrichtung auf vereinfachte Weise aufeinanderfolgend eine Konstantspannungssteuerung und eine Konstantstromsteuerung an dem elektromagnetischen Ventil erfolgt.
Dabei soll mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufeinanderfolgend die Konstantspannungssteuerung und die Konstantstromsteuerung des elektromagnetischen Ventils unter stark abgesenkter Spannung ermöglicht werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Konstantspannungssteuerung an dem elektromagnetischen Ventil auf eine vorbestimmte konstante Zeitdauer beschränkt und das elektromagnetische Ventil nicht diesen aufeinanderfolgenden -> Steuerungen unterzogen wird, wenn die Spannung stark verringert ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Schaltbild eines ersten Ausführungsführungsbeispiels der Vorrichtung zur
Steuerung eines elektromagnetischen Ventils. 15
Fig. 2 ist ein Schaltbild mit Einzelheiten einer bei der Vorrichtung verwendeten Spannungssteuerschaltung.
Fig. 3 ist ein Schaltbild mit Einzelheiten einer
bei der Vorrichtung verwendeten Stromsteuerschaltung.
Fig. 4 ist ein Schaltbild mit Einzelheiten einer 2^ bei der Vorrichtung verwendeten Spannungs
stoß-Steuerschaltung.
Fig. 5 ist ein Schaltbild mit Einzelheiten einer bei der Vorrichtung verwendeten Zeitgeberschaltung.
Fig. 6 ist ein Signalkurvenformdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung.
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Fig. ? ist^ ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung»
Fig, 8 ist ein Schaltbild mit Einzelheiten eines bei der Vorrichtung nach Fig. 7 verwende
ten Spannungsschaltglieds.
In der Fig. ι ist ein ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gezeigt. In dieser Figur bezeichnet 20 eine Batterie, deren negativer Anschluß mit Masse verbunden ist und deren positiver Anschluß.an den Emitter eines PNP-Darlington-Leistungstransistors 24 angeschlossen ist. Der Kollektor des Leistungstransistors 24 ist an einen Anschluß eines Strommeßwiderstands 26 angeschlossen, dessen zweiter Anschluß an einen Anschluß einer Spule 22 eines elektromagnetischen Ventils angeschlossen ist. Der zweite Anschluß der Spule 22 des elektromagnetischen Ventils ist mit Masse verbunden. 30 bezeichnet eine Spannungssteuerschaltung, deren Eingang mit dem Kollektor des Leistungstransistors 24 verbunden ist und deren Ausgang über einen Widerstand 40 an die Basis des Leistungstransistors 24 angeschlossen ist. 50 bezeichnet eine Stromsteuerschaltung , deren Eingänge an die Anschlüsse des Strommeßwiderstands 26 angeschlossen sind und deren Ausgänge an die Basis des Leistungstransistors 24 über einen Widerstand 70 bzw. an einen Eingangsanschluß P. einer Spannungsstoß-Steuerschaltung 80 angeschlossen sind. Die Spannungsstoß-Steuerschaltung 80 weist einen zweiten Eingangsanschluß P2 auf, der an einen Eingabeeingang S einer Zeitgeberschaltung 90 angeschlossen ist, sowie einen Ausgangsanschluß P3, der mit dem positiven Anschluß der Spule 22 des elektromagnetischen Ventils verbunden ist. Zur Steuerung der Zeitdauer des öffnens und Schließens des elektromagnetischen Ventils wird von einer externen Steuervorrichtung ein Impulssignal mit der zeitlichen Breite bzw. Dauer "C an den Eingabean-
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Schluß S der Zeitgeberschaltung 90 angelegt, deren Ausgang an einen weiteren Eingang der Spannungssteuerschaltung 30 angeschlossen ist. 100 bezeichnet eine Batterieschaltung, die an die Batterie 20 angeschlossen ist und die eine Festspannung Vc (von beispielsweise 8 V) an die Spannungssteuerschaltung 30, die Stromsteuerschaltung 50, die Spannungsstoß-Steuerschaltung 80 und die Zeitgeberschaltung 90 anlegt.
Die Fig. 2 zeigt Einzelheiten der Spannungssteuerschaltung 30. In der Figur bezeichnen 311 und 312 Widerstände, die so zwischen einen Anschluß C und Masse geschaltet sind, daß sie die Kollektorspannung des in Fig. 1 gezeigten Leistungstransistors 24 teilen, wobei der Verbindungspunkt der Widerstände 311 und 312 über einen Widerstand 313 mit dem invertierenden Eingangsanschluß (-) eines Rechenverstarkers 314 verbunden ist. Widerstände 315 und 316 sowie eine Diode 317 sind in Reihe zwischen den Ausgangsanschluß der Batterieschaltung 100 und Masse in der Weise geschaltet, daß an dem Verbindungspunkt der Widerstände 315 und 316 eine Festspannung V. hervorgerufen wird. Widerstände 318 und 319 sind so an den nichtinvertierenden Eingangsanschluß (+) des Rechenverstärkers 314 angeschlossen, daß sie die Festspannung V1 teilen. Zwischen den invertierenden Eingangsanschluß und den Ausgangsanschluß des Rechenverstärkers 314 ist ein Gegenkopplungswider stand 320 geschaltet. Der Ausgangsanschluß des Rechenverstärkers 314 ist über einen Widerstand 321 mit der Basis eines Transistors 322 verbunden, die auch mit dem Ausgangsanschluß A der Zeitgeberschaltung 90 verbunden ist. Der Transistor 322 ist mit seinem Kollektor an den in Fig. 1 gezeigten Widerstand 40 und mit seinem Emitter über einen Widerstand 323 mit Masse verbunden ; die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 314 sinkt und die Kollektorspannung des Transistors 322 steigt, wenn
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die durch Teilung der Spannung an dem Anschluß C erzielte Spannung höher als die geteilte Festspannung V1 wird. Wenn im Gegensatz dazu die durch Teilen der Spannung an dem Anschluß C erzielte Spannung geringer als die geteilte Festspannung V. wird, steigt die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 314 an, während die Kollektorspannung des Transistors 322 absinkt. Das heißt, solange ein Impulssignal einer konstanten zeitlichen Breite To an den Anschluß A angelegt wird, erzeugt die Spannungssteuerschaltung 30 eine Spannung, die sich in der gleichen Richtung wie die Spannung an dem Anschluß C verändert. Wenn an den Anschluß A kein Impulssignal angelegt wird, wird der Transistor 322 ausgeschaltet gehalten, so daß folglich die Ausgangsspannung der Spannungssteuerschaltung 30 konstant bleibt.
Die Fig. 3 zeigt in Einzelheiten die Stromsteuerschaltung 50. Gemäß dieser Figur sind Widerstände 552 und 554 in Reihe zwischen einen Anschluß P, und den invertierenden Eingangsanschluß (-) eines Rechenverstärkers 558 geschaltet, während zwischen Masse und den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 552 und 554 ein Widerstand 553 geschaltet ist. Zwischen den Anschluß C und den nichtinvertierenden Eingangsanschluß (+) des Rechenverstärkers 558 sind Widerstände 555 und 557 in Reihe geschaltet, zwischen deren Verbindungspunkt und Masse ein Widerstand 556 geschaltet ist. In den Gegenkopplungsstromkreis des Rechenverstärkers 558 sind ein Widerstand 559 und ein Kondensator 560 zueinander parallel geschaltet, während an den nichtinvertierenden Eingangsanschluß (+) des Rechenverstärkers 558 ein mit Masse verbundener Widerstand 561 angeschlossen ist. Der Kondensator 560 dient dazu, Schwingungen zu verhindern, und der Rechenverstärker 558 dient als Differenzverstärker. Der Ausgangsanschluß des Rechenverstärkers 558 ist über einen
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Widerstand 562 an den invertierenden Eingangsanschluß (-} eines Rechenverstärkers 563 angeschlossen, zwischen dessen Eingangsanschluß und Ausgangsanschluß ein Gegenkopplungswiderstand 57t geschaltet ist. Zwischen die Batterieschaitung 100 und Masse sind Widerstände 564 und 56& sowie Dioden 566, 567 und 568 in Reihe geschaltet. Parallel zu den Dioden 566, S67 und 568 sind Widerstände 569 und: 57O geschaltet, deren Verbindungspunkt mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (+) des Rechenverstärkers 563 verbunden ist. Der Ausgangsanschluß des Rechenverstärkers 563 ist mit der Basis eines Transistors 60 verbunden, dessen Kollektor mit dem Widerstand 70 und dessen Emitter mit dem Anschluß P1 verbunden sind.
Wenn im Betriebszustand die Spannung zwischen den Anschlüssen C und P3 ansteigt, steigt die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 558 an, wogegen beim Absinken der Spannung zwischen den Anschlüssen C und P, die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 558 gleichfalls absinkt. Der Rechenverstärker 563 verstärkt die Differenzspannung zwischen der Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 558 und einer Festspannung V-. Dementsprechend nimmt die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 563 ab, wenn die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 558 die Festspannung V2 übersteigt, wogegen die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 563 ansteigt, wenn die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 558 niedriger als die Festspannung V2 wird. Die Basisspannung des Transistors 60 ändert sich proportional zur Ausgangsspannung des Rechen-Verstärkers 563, so daß folglich der Kollektorstrom des Transistors 60 mit einer Steigerung der Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 563 ansteigt. Gemäß vorstehender Beschreibung arbeitet die Stromsteuerschaltung 50 so, daß ein Strom erzeugt wird, der in Gegenrichtung zu Veränderungen der Spannung zwischen den Anschlüssen C und P 3
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ansteigt und absinkt, wodurch ein der Festspannung V-entsprechender Konsftantstrom abgegeben wird.
Die Fig. 4 zeigt Einzelheiten der Spannungsstoß-Steuerschaltung 80. Gemäß dieser Figur ist ein PNP-Transistor 811 mit seinem Emitter an den Anschluß P1 angeschlossen, mit seinem Kollektor an den Anschluß P3 angeschlossen , der an die Spule 22 des elektromagnetischen Ventils angeschlossen ist, und mit seiner Basis über einen Widerstand 813 an den Kollektor eines NPN-Transistors 815 angeschlossen. Eine Zenerdiode 812 hat eine feste Zenerspannung (40 V) und ist mit ihrem positiven und ihrem negativen Anschluß an den Kollektor bzw. den Emitter des Transistors 811 angeschlossen. Der Transistor 815 ist mit seinem Emitter an Masse geschaltet, während seine Basis über einen Widerstand 814 mit dem Anschluß P- verbunden ist. Solange ein Impulssignal "£ an den Anschluß P2 angelegt wird, sind die Transistoren 815 und 811 durchgeschaltet und der von der Stromsteuerschaltung 50 zu dem Anschluß P1 fließende Strom fließt über den Transistor 811 zu dem Anschluß P3.
Die Fig. 5 zeigt Einzelheiten der Zeitgeberschaltung 90. In der Figur ist die Basis eines Transistors 902 über einen Widerstand 901 mit dem Anschluß S verbunden, während zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 902 ein Widerstand 903 parallel geschaltet ist. Der Kollektor des Transistors 902 ist mit dem positiven Anschluß eines Kondensators 905 sowie über einen Widerstand 904 mit der Batterieschaltung 100 verbunden. Der negative Anschluß des Kondensators 905 ist zusammen mit Widerständen 907 und 908 an die Basis eines Transistors 906 angeschlossen, dessen Emitter mit Masse verbunden ist. Der Widerstand 907 ist an die Batterieschaltung 100 angeschlossen, während der Widerstand 908 mit Masse verbunden ist. Wenn an den Anschluß S kein Impulssignal tfangelegt ist, ist der Tran-
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sistor 902 gesperrt, während der Transistor 906 durchgeschaltet ist. Wenn ein Impulssignal £ an den Anschluß S angelegt wird, wird der Transistor 902 durchgeschaltet, so daß der positive Anschluß und der negative Anschluß des Kondensators 905 auf Massepotential bzw. negatives Potential abfallen. Folglich wird der Transistor 906 gesperrt, so daß das Potential an dem (mit seinem Kollektor verbundenen) Anschluß A hohen Pegel annimmt. Da das Potential an dem negativen Anschluß des Kondensators durch den über den Widerstand 907 fließenden Strom allmählich ansteigt, so daß es schließlich das Massepotential erreicht, wird danach der Transistor 906 wieder durchgeschaltet, so daß das Potential an dem Anschluß A auf niedrigen Pegel gelangt. Unter Sperrung des Transistors 906 wird ein Impulssignal To erzeugt, deren Zeitdauer To eine feste Zeitdauer ist, die durch den Kondensator 905 und den Widerstand 907 bestimmt ist. Diese Zeitdauer To ist so vorgewählt, daß sie der Zeit entspricht, die dafür erforderlich ist, daß sich das elektromagnetische Ventil von seiner Schließstellung in seine voll offene Stellung bewegt.
Für den vorstehend beschriebenen Aufbau wird die Wirkungsweise der Vorrichtung nun unter Bezugnahme auf das Signalkurvenformdiagramm nach Fig. 6 beschrieben. Wenn das bei ( Έ ) in Fig. 6 gezeigte Impulssignal Zf an die ZeitgeberSchaltung 90 angelegt wird, erzeugt diese an dem Anschluß A ein Zeitsteuerungssignal mit der Impulsdauer To gemäß der Darstellung bei (To) in Fig. 6, Die Spannungssteuerschaltung 30 ist nur während der Dauer des Zeitintervalls To in Betrieb, während dem das Signal To den Zustand "1" beibehält; auf diese Weise wird die Spule des elektromagnetischen Ventils betätigt. In diesem Fall wird die Kollektorspannung des Leistungstransistors 24 in der Weise erfaßt, daß dann, wenn die Kollektorspannung aufgrund von Veränderungen der Speisespannung aus der
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Batterie 20 ο. dgl. höher als die der Festspannung V1 entsprechende voreingestellte Spannung wird, der in den Ausgang der Spannungssteuerschaltung 30 fließende Basisstrom des Leistungstransistors 24 verringert wird, so daß die Kollektorspannung des Leistungstransistors 24 verringert wird, wogegen dann, wenn die Kollektorspannung niedriger als die voreingestellte Spannung wird, der in die Spannungssteuerschaltung 30 fließende Basisstrom des Leistungstransistors 24 ansteigt, um damit die Kollektorspannung zu erhöhen. Auf diese Weise wird die Kollektorspannung des Leistungstransistors 24 auf eine vorbestimmte Festspannung gesteuert.
Andererseits nimmt die Stromsteuerspannung 50 als Eingangssignal die an dem Strommeßwiderstand 26 entstehende Spannung auf, wodurch dann, wenn der Spannungsabfall an dem Strommeßwiderstand 26 proportional zu einer Steigerung des zur Spule 22 des elektromagnetischen Ventils fließenden Stroms ansteigt, die Stromsteuerschaltung so den Steuervorgang in der Weise aufnimmt, daß der über den Eingangsanschluß P-. der Spannungsstoß-Steuerschaltung 80 fließende Konstantstrom vermindert wird und folglich der zu dem Leistungstransistor 24 fließende Basisstrom verringert wird, wodurch der Kollektorstrom des Leistungstransistors 24 verringert wird und dadurch die Spannung an dem Strommeßwiderstand 26 verringert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Widerstandswert des Strorameßwiderstands 26 zu 0,1 0hm gewählt.
Hierbei sind die Konstantspannungssteuerung und die Konstantstromsteuerung so ausgelegt, daß über die Widerstände 40 und 70 an der Basis des Leistungstransistors 24 eine ODER-Steuerung erfolgt. Das heißt, wenn der in die Spannungssteuerschaltung 30 fließende Strom größer als der in die Stromsteuerschaltung 50 fließende Strom wird, wird
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der Leistungstransistor 24 mittels der Spannungssteuerschaltung 30 gesteuert, so daß daher der ganze Schaltungsaufbau in Konstantspannungsbetrieb gelangt, wogegen dann, wenn der in die Spannungssteuerschaltung 30 fließende Strom kleiner als der in die Stromsteuerschaltung 50 fließende Strom ist, der ganze Schaltungsaufbau der Konstantstromsteuerung unterzogen ist. Wenn der Schaltungsaufbau in Konstantspannungsbetrieb ist, wird die Kollektorspannung des Leistungstransistors 24 zu 10 V. Das heißt, wenn das bei (To) in Fig» 6 gezeigte Zeitsteuerungssignal To auf dem Pegel "1" ist, wird die Spannungssteuerschaltung 30 in Betrieb gesetzt, wogegen bei einem Zeitsteuerungssignal To mit dem Pegel "0" der zum Ausgang der Spannungssteuerschaltung 30 fließende Strom gesperrt wird, so daß deren Betrieb eingestellt wird. Andererseits wird die Stromsteuerschaltung 50 mittels der Spannungsstoß-Steuerschaltung 80 dann in Betrieb gesetzt, wenn das Impulssignal ^ auf dem Pegel "1" ist, während sie außer Betrieb gesetzt wird, wenn das Impulssignal "£ den Pegel "0" hat. Betrachtet man den Betriebsvorgang an der Spule 22 des elektromagnetischen Ventils im Hinblick auf die Gesamtschaltung, so gelangt im Ansprechen auf das Anlegen des Impulssignals 1O die Spule 22 des elektromagnetischen Ventils zuerst in die Konstantspannungsbetriebsweise und danach in die Konstant-Strombetriebsweise. Aufgrund dieses Arbeitsverfahrens wird gemäß der Darstellung bei (C) in Fig. 6 an dem elektromagnetischen Ventil während der Anfangsperiode die Konstantspannungssteuerung ausgeführt, bei der eine hohe Spannung angelegt wird und dadurch das Auslösen der Bewegung des elektromagnetischen Ventils von seiner Schließstellung in seine Öffnungsstellung erleichtert wird; danach erfolgt die Konstantstromsteuerung, bei der das elektromagnetische Ventil mittels eines verhältnismäßig geringen Stroms offengehalten wird und Einwirkungen von Veränderungen der Speisespannung ausgeschaltet werden.
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Bei der vorstehend beschriebenen Betriebsweise ändert sich während des Übergangs von der Konstantspannungssteuerung auf die Konstantstromsteuerung der zu der Spule 22 des elektromagnetischen Ventils fließende Strom von einem hohen auf einen niedrigen Pegel, so daß folglich gemäß der Darstellung durch die gestrichelte Linie bei (C) in Fig. 6 eine negative Stoßspannung bzw. ein negativer Spannungsstoß von ungefähr 50 V an dem positiven Anschluß der Spule 22 des elektromagnetischen Ventils auftritt. In diesem Fall ist jedoch der PNP-Transistor 811 der Spannungsstoß-Steuerschaltung 80 durchgeschaltet, was zur Folge hat, daß die Spannung an dem Strommeßwiderstand 26 um so mehr gesteigert wird, je mehr negative Stoßspannung auftritt; demzufolge bewirkt die Stromsteuerspannung 50 eine Unterdrückung des Basisstroms des Leistungstransistors 24 und dadurch eine Verringerung des Kollektorstromes. In diesem Fall kann die Basisspannung des Ausgangstransistors 60 in der Stromsteuerschaltung 50 höchstens auf die Massespannung von 0 V vermindert werden. Da jedoch die Spannung an dem positiven Anschluß der Spule 22 des elektromagnetischen Ventils negativ ist, fließt selbst bei einer Ausgangsspannung der Stromsteuerschaltung 50 von 0 V in den Transistor 60 über dessen Basis-Emitter-Strecke und über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 811 in der Spannungsstoß-Steuerschaltung 80 ein Strom, was zur Folge hat, daß der Strom über die Basis des Leistungstransistors 24, den Widerstand 70 und die Stromsteuerschaltung 50 fließt und folglich der Kollektorstrom des Leistungstransistors 24 gesteigert wird, wodurch gemäß der Darstellung bei (C) in Fig. 6 die negative Stoßspannung aufgehoben wird. Auf diese Weise wird während des Übergangs von der Konstantspannungssteuerung auf die Konstantetromsteuerung das Auftreten einer negativen Stoßspannung an dem positiven Anschluß der Spule 22 des elektromagnetischen Ventils ver-
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hindert, wodurch die Gefahr des Auftretens eines Zustands ausgeschaltet wird', bei dem das elektromagnetische Ventil, das geöffnet worden ist, wieder zum Schließen gebracht wird,
Wenn andererseits das Impulssignal T^ von dem Zustand "1" auf den Zustand "O" wechselt, wird der Transistor 815 gesperrt sowie damit der PNP-Transistor 811 gesperrt, wodurch die Konstantstromsteuerung beendet wird. Natürlich wird auch in diesem Fall an dem positiven Anschluß der Spule 22 des elektromagnetischen Ventils eine negative Stoßspannung erzeugt. Wenn jedoch das Auftreten dieser Stoßspannung auf die vorstehend beschriebene Weise verhindert wird, ergibt sich ein Nachteil dahingehend, daß die tatsächliche Schließzeit des elektromagnetischen Ventils um mehr als das Doppelte gegenüber derjenigen verzögert wird, die auftritt, wenn diese Stoßspannung zugelassen wird. Daher muß gemäß der Darstellung bei (C) in Fig. 6 zu diesem Zeitpunkt die negative Stoßspannung zugelassen werden, um damit das elektromagnetische Ventil zwangsweise zu schließen. Wenn jedoch eine negative Stoßspannung mit einem übermäßig großen Wert von beispielsweise 200 V zugelassen wird, besteht die Gefahr, daß die zulässigen Grenzspannungen des Leistungstransistors 24 und des Transistors 811 überschritten werden und an diesen Transistoren Durchschlage bzw. Zerstörungen auftreten. Folglich muß diese negative Stoßspannung auf bestimmte Werte geregelt werden. Tatsächliche Messungen haben gezeigt, daß die Schließzeit des elektromagnetischen Ventils im. wesentlichen konstant gehalten werden kann, wenn eine negative Stoßspannung von oberhalb ungefähr 35 V zugelassen wird. Wenn daher mit der Zenerdiode 812, die eine Zenerspannung von 40 V hat und die gemäß der Darstellung in Fig. 4 in der Spannungsstoß-Steuerschaltung 80 angebracht ist, selbst bei gesperrtem PNP-Transistor 811 eine negative Stoßspannung 40 V übersteigt, wird der Transistor 811 durchgeschaltet, so daß mehr Strom zu dem Kollektor des Leistungstransistors
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24 fließt und durch den vorgenannten Vorgang die negative Stoßspannung aufgehoben wird. Selbstverständlich müssen die zulässigen Grenzspannungen der Basis-Kollektor-Strecke und der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 811 sowie des Leistungstransistors 24 höher als 40 V sein.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Spannungsstoß-Steuerschaltung 80 zwischen die Stromsteuerschaltung 50 und den positiven Anschluß der Spule 22 des elektromagnetischen Ventils geschaltet; es ist jedoch offensichtlich, daß die Spannungsstoß-Steuerschaltung 80 zwischen die Spannungssteuerschaltung 30 und die Spule 22 des elektromagnetischen Ventils geschaltet werden kann und daß die Spannungsstoß-Steuerschaltung 80 anstelle der Spule 22 des elektromagnetischen Ventils an den Kollektoranschluß des Leistungstransistors 24 angeschlossen werden kann.
Betrachtet man nun die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels als ganzes, so erfolgt an der Vorrichtung beim Anlegen eines Impulssignals Έ zuerst für ungefähr 1,8 ms die Konstantspannungssteuerung und danach bis zum Abfallen des Impulssignals ^ auf "0" die Konstantstrom-Steuerung, was zur Folge hat, daß selbst bei Veränderung der Spannung der Batterie 20 die Stromzufuhr zu der Spule des elektromagnetischen Ventils konstant gehalten wird und folglich die Dauer des öffnens und Schließens des elektromagnetischen Ventils unverändert bleibt, so daß daher das elektromagnetische Ventil für die Dauer des Impulssignals ^ gleichmäßig öffnet. Nimmt man nun an, daß "α ON das Zeitintervall vom Anlegen eines Impulssignals H bis zum vollständigen öffnen des elektromagnetischen Ventils bezeichnet und Έ OFF das Zeitintervall vom Wechsein des Impulssignals ^T auf "0" bis zum vollständigen
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Schließen des elektromagnetischen Ventils bezeichnet, so ist ein Zeitintervall "£.', während dem das elektromagnetische Ventil tatsächlich nach dem Anlegen des Impulssignals ^ offenbleibt, durch 7Z' - t - "£ON + ~OFF = X - ( Zou - ^OFF) gegeben. Bei dem Ausführungsbeispiel bleiben die Zeitintervalle ^ON und "^OFF trotz irgendwelcher Veränderungen der Spannung der Batterie 20 unverändert, so daß folglich das Zeitintervall £' trotz Veränderungen der Spannung der Batterie 20 konstant bleibt.
In der Fig. 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel ist mit dem ersten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme identisch, daß zu dem vorstehend beschriebenen Schaltungsaufbau nach Fig. 1 ein Spannungsschaltglied und ein Widerstand 120 hinzugefügt sind. Selbst wenn bei diesem Aufbau die Spannung der Batterie 20 ungewöhnlich absinkt, die die Stromversorgung bildet, wird die Spule des elektromagnetischen Ventils gleichmäßig bzw. kontinuierlich betrieben. Die Wirkungsweise des Spannungsschaltglieds 110 wird nun anhand des ausführlichen Schaltbilds in Fig. 8 beschrieben. Gemäß dieser Figur ist der negative Anschluß einer Zenerdiode 111 über einen Anschluß P. mit dem positiven Anschluß der Batterie 20 verbunden, während der positive Anschluß der Zenerdiode 111 über einen Widerstand 112 mit Masse verbunden ist. Die Zenerspannung der Zenerdiode 111 beträgt 7 V. Der positive Anschluß der Zenerdiode 111 ist ferner über einen Widerstand 113 mit der Basis eines Transistors 114 verbunden. Der Emitter des Transistors 114 ist mit Masse verbunden, während sein Kollektor an die Basis eines nachgeschalteten Transistors 115 angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors 115 ist mit Masse verbunden, während sein Kollektor über den in Fig. 7 gezeigten Widerstand 120 an die Basis des Leistungstransistors 24 angeschlossen ist. Ferner ist
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die Basis des Tranpistors 115 über einen Widerstand 116 mit dem Eingang der Zeitgeberschaltung 90 verbunden.
Mit dem vorstehend beschriebenen Schaltungsaufbau ist die Funktionsweise bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die folgende: Solange die Spannung der Batterie 20 höher als 7 V bleibt, sind die Zenerdiode 111 und der Transistor 114 durchgeschaltet, so daß der Transistor 115 unabhängig vom Auftreten oder Fehlen eines Eingangs-Impulssignals Έ^
'0 gesperrt ist und damit von der Basis des Leistungstransistors 24 getrennt ist. Folglich wird das Spannungsschaltglied 110 nicht in Betrieb gesetzt. Wenn die Spannung der Batterie 20 unter 7 V abfällt, wird der Transietor 114 gesperrt, was zur Folge hat, daß beim Ansteigen des Eingangs-Impulssignals 2Γ auf "1" der Transistor 115 durchgeschaltet wird, so daß über die Basis des Leistungstransistors 24 und den Widerstand 120 ein Strom zu dem Transistor 115 fließt und daher ein Strom zur Spule 22 des elektromagnetischen Ventils fließt, so daß dieses öffnet, wogegen das elektromagnetische Ventil geschlossen wird, wenn das Impulssignal t auf "0" abfällt. Dabei wird
der Leistungstransistor 24 voll leitend. Während bei einer Spannung der Batterie 20 von weniger als 7 V die Spannungssteuerschaltung 30 und die Stromsteuerschaltung so nicht in Normalbetrieb gelangen, wird der Leistungstransistor 24 durch das Ausgangssignal des Spannungsschaltglieds 110 in Betrieb gesetzt. Da der Leistungstransistor 24 mittels des Spannungsschaltglieds 111 voll durchgeschaltet wird und da der Leistungstransistor 24 ein PNP-Transistor ist, liegt sein Emitter-Kollektor-Spannungsabfall in der Größenordnung von 0,5 bis 0,7 V und damit beträchtlich niedriger als der eines NPN-Leistungstransistors mit einem Spannungsabfall in der Größenordnung von 1,5 bis 2,0 V; dies ist in dem Fall von großem Vorteil, daß die Batteriespannung abgesunken ist.
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Der Grund fijr die auf diese Weise vorgenommene Verringerung der Minimalbetriebsspannung liegt darin, daß bei Verwendung des elektromagnetischen Ventils als Einspritzventil für das Kraftstoffeinspritzsystem eines Kraftfahrzeugs die Fahrzeugbatterie als Stromquelle verwendet wird. Wenn dabei die Batterie mehr oder weniger erschöpft ist, wird während der Anlaßperiode, bei der der Anlassermotor betrieben wird, die Batteriespannung auf ungefähr 5 V verringert. Bei dem Ausführungsbeispiel ist es selbst mit einer Batteriespannung von 5 V möglich, Kraftstoff bzw. Benzin einzuspritzen und die Maschine mit höherer Wahrscheinlichkeit anzulassen, obgleich die Impulsdauer der Einspritzimpulse nicht genau sein wird. Wenn der Anlassermotor angelassen wird, kann die Impulsdauer der Spritzimpulse etwas gesteigert werden, um das Anlassen der Maschine zu erleichtern.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, hat die Vorrichtung zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventils eine Reihenschaltung mit einem Verstärkerelement, einem Strommeßelement und einer Elektromagnetventil-Spule, die an eine Stromversorgung angeschlossen ist, eine Spannungssteuerschaltung, die zum Vornehmen eines Spannungssteuervorgangs an dem Ausgangssignal des Ver-Stärkerelements auf ein Steuersignal für das elektromagnetische Ventil anspricht, eine Stromsteuerschaltung, die als Eingangssignal das Erfassungs- oder Meßsignal von dem Strommeßelement aufnimmt und auf das Steuersignal für das elektromagnetische Ventil in der Weise anspricht, daß sie an dem Ausgangssignal des Verstärkerelements einen Stromsteuervorgang ausübt, und eine Spannungsstoß-Steuerschaltung oder -Abfangsschaltung, die mit der Elektromagnetventil-Spule in der Weise verbunden ist, daß sie gezielt eine Stoßspannung regelt, die während des Wechsels bei dem Steuerungsbetrieb des Ausgangssignals des Verstärker-
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elements erzeugt wird; damit bietet die Vorrichtung einen großen Vorteil dahingehend, daß die Erregung der Spule des elektromagnetischen Ventils unabhängig von Veränderungen der Speisespannung oder dergleichen gleichförmig gesteuert wird, wobei ein ausreichender Schutz von derartigen Elementen wie dem Verstärkerelement in der Serienschaltung mit der Spule des elektromagnetischen Ventils sichergestellt ist.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventils, die zur Anwendung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen geeignet ist, wird nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit die Steuerung der Erregung der Elektromagnet-Spule des elektromagnetischen Ventils von einer Konstantspannungssteuerung auf eine Konstantstromsteuerung umgestellt, wobei jegliche während der Steuerungsumstellung verursachte Stoßspannung gezielt abgefangen wird; dadurch wird eine gleichförmige Erregung des elektromagnetischen Ventils unabhängig von Veränderungen der Speisespannung o. dgl. sichergestellt.
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Claims (1)

  1. TlEDTKE - BüHLING " K.NNE - G0UPE SSSS«-
    Dipl.-Chem. G. Bühling Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Ing. P. Grape
    Bavariaring 4, Postfach 20 24 8000 München 2
    Tel.: (0 89) 53 96 53 Telex: 5-24845 tipat cable: Germaniapatent München
    6. Februar 1978
    B 8688/case A2685-02 Soker
    Patentansprüche
    1. Vorrichtung zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventils, das durch Erregung seiner Elektromagnet-Spule betrieben wird, die über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Leistungstransistors in Reihe zu einer Gleichstromquelle geschaltet ist, wobei die Erregung der Spule nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit von einer Konstantspannungssteuerung auf eine Konstantstromsteuerung umgeschaltet wird, gekennzeichnet durch eine Spannungssteuervorrichtung (30), die an die Spule (22) und die Basis des Leistungstransistors (24) angeschlossen ist und die im Ansprechen auf Veränderungen der Spannung an der Spule den Basisstrom des Leistungstransistors steuert, um dadurch die Spannung an der Spule konstant zu halten, eine Stromsteuervorrichtung (50), die an die Spule und an die Basis des Leistungstransistors angeschlossen ist und die im Ansprechen auf Veränderungen des über die Spule fließenden Stroms den Basisstrom des Leistungstransistors steuert, um dadurch den über die Spule fließenden Strom konstant zu halten, eine
    8U9832/09Ö9
    Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804 , .v »—,
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    Zeitsteuervorrichtung (90)f die .ein Eingabeimpulssignal mit einer Impulsdauer. (·?Γ) aufnimmt, das die Erregungsdauer der Spule für aufeinanderfolgenden Steuerbetrieb mittels der Spannungssteuervorrichtung und der Stromsteuervorrichtung festlegt, wobei die Zeitsteuervorrichtung den Spannungssteuerbetrieb mittels der Spannungssteuervorrichtung während einer vorbestimmten konstanten Zeitdauer (To) bewirkt, die mit der Impulsdauer des Eingangsimpulssignals synchronisiert ist und kürzer als diese ist, und danach den Stromsteuerbetrieb mittels der Stromsteuervorrichtung während der restlichen Dauer des Eingangsimpulssignals bewirkt, und eine Spannungsstoß-Steuerschaltung (80), die mit der Spule so verbunden ist, daß sie im Ansprechen auf einen von der Spule aufgrund des Wechsels von dem Spannungssteuerbetrieb auf den Stromsteuerbetrieb hervorgerufenen Spannungsstoß im Zusammenwirken mit der Stromsteuervorrichtung den von dem Leistungstransistor zur Spule fließenden Strom steigert.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Spannungsschaltglied (110), das so geschaltet ist, daß es auf die Spannung an der Gleichstromquelle (20) und das Eingabeimpulssignal anspricht, und das den Leistungstransistor (24) während der Impulsdauer C£) des Eingabeimpulssignals unabhängig von dem Steuerbetrieb mittels der Spannungssteuervorrichtung (30) und der Stromsteuervorrichtung (50) durchschaltet, wenn die Spannung an der Gleichstromquelle unter eine vorbestimmte Spannung abgefallen ist.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (24) ein PNP-Transistor ist.
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    4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteuervorrichtung
    (30) einen ersten Differenzverstärker (314), der eine erste konstante Bezugsspannung (V1) und eine an dem Verbindungspunkt zwischen dem Leistungstransistor (24) und der Spule (22) erzeugte Spannung (C) aufnimmt, um eine erste Ausgangsspannung in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen den Spannungen abzugeben, und einen ersten Transistor (322) aufweist, der zwischen den ersten Differenzverstärker und die Basis des Leistungstransistors geschaltet ist, um den Basisstrom des Leistungstransistors im Ansprechen auf die erste Ausgangsspannung aus dem ersten Differenzverstärker zu steuern, wobei der erste Transistor so geschaltet ist, daß er den Basisstrom des Leistungstransistors über seine Kollektor-EmitterrStrecke fließen läßt.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsteuervorrichtung (50) einen Widerstand (26),der zur Erzeugung einer zu dem über die Spule fließenden Stroms proportionalen Spannung in Reihe zu der Spule (22) und der Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors (24) geschaltet ist, einen zweiten Differenzverstärker (563), der zur Aufnahme der mittels des Wider-Standes erzeugten Spannung und einer zweiten konstanten Bezugsspannung (V2) geschaltet ist, um eine zweite Ausgangsspannung in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen den Spannungen zu erzeugen, und einen zweiten Transistor (60) aufweist, der zwischen den zweiten Differenzverstärker und die Basis des Leistungstransistors geschaltet ist, um den Basisstrom des Leistungstransistors im Ansprechen auf die zweite Ausgangsspannung des zweiten Differenzverstärkers zu steuern, wobei der zweite Transistor so geschaltet ist, daß er über seine Kollektor-Emitter-Strecke den Basisstrom des Leistungstransistors fließen läßt.
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    ORfGiMAL INSPECTED
    B8688
    6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch, gekennzeichnet, daß die Spannungsstoß-Steuerschaltung einen dritten Transistor (811), der so geschaltet ist, daß er während der Impulsdauer (£) des Eingabeimpulssignals leitend wird und der über seine Emitter-Kollektor-Strecke den durch die Emitter-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors (60) fließenden Strom zu der Spule (22) fliessen läßt, und eine Zenerdiode (812) aufweist, die zu der Emitter-Kollektor-Strecke des dritten Transistors parallel geschaltet ist und die leitend wird, wenn ein aufgrund der Aberregung der Spule durch diese erzeugter Spannungsstoß die Durchbruchspannung der Zenerdiode übersteigt.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuervorrichtung (90) in Synchronisierung mit dem Eingangsimpulssignal ein Ausgangsimpulssignal erzeugt, das eine Impulsdauer hat, die gleich der vorbestimmten konstanten Zeitdauer (To) ist, und das an die Basis des ersten Transistors (322) angelegt wird, um diesen während der vorbestimmten konstanten Zeitdauer in Betrieb zu setzen.
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