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Title:
CIRCUIT ARRANGEMENT FOR DETECTING CURRENT VARIATION SIGNALS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1986/005235
Kind Code:
A1
Abstract:
The circuit is intended to the detection of current modification signals of a needle transducer (Zs) connected to a constant direct voltage source and arranged in the injection device of an internal combustion engine. The circuit is capable of detecting very low signals particularly in vehicles where the high noise level conditions are prevailing. The transducer (Zs) is mounted at the output (4) of an adjustable direct voltage source (1) and is connected to a measurement resistance (RM) connected between the output (3) of a regulation amplifier (2) and the output of the direct voltage source (1). The output (3) of the regulating amplifier (2) is connected to the input of an alternating voltage amplifier (5) with pass-band. The output of the alternating voltage amplifier (5) is connected to the input of a Schmitt trigger (7) of which the output signal (UA) is representative of the variations of the sensor current (Is)

Inventors:
SCHMIDT KARL-HEINZ (AT)
Application Number:
PCT/AT1986/000014
Publication Date:
September 12, 1986
Filing Date:
February 19, 1986
Export Citation:
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Assignee:
VOEST ALPINE FRIEDMANN (AT)
International Classes:
F02D35/00; F02D41/22; F02D41/24; F02M65/00; G05F1/565; (IPC1-7): F02D5/02; F02M65/00; G05F1/565
Foreign References:
DE3242317A11984-05-17
DE1613663A11970-10-22
Other References:
Electronics, Vol. 47, No. 25, 12 December 1974 T.E. Skopal: "Voltage-Regulted Power Supply Delivers Constant current", page 126, see page 126; figure
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Claims:
P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Schaltungsanordnung zur Erfassung der Stromänderungs¬ signale eines an einer konstanten Gleichspannung liegenden Nadelhubsensors einer Einspritzdüse für Brennkraf maschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (Zs) am geregelten Ausgang (4) einer geregelten Gleichspannungsquelle (1) liegt und zwischen dem Augang (3) des Regelverstärkers (2) und dem Ausgang der Gleichspannungsquelle ("l) ein Meßwiderstand (RM) geschaltet ist, der Ausgang (3) des Regelverstärkers (2) mit dem Eingang eines Wechselspannungsverstärkers (5) mit Bandpaßcharakter verbunden ist und der Ausgang des Wechselspannungsyerstärkers (.5) mit dem Eingang eines SchmittTriggers (7) verbμnden ist, 'dessen AusgangsSignal (Ü*A) für die Änderungen des Sensorstromes (Is) repräsentativ ist.
2. Schaltungsanordnung zur Erfassung de Stromänderungs¬ signale eines an einer konstanten Gleichspannung liegenden Nadelhubsensors einer Einspritzdüse für Brennkra maschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (Zs) an den Ausgangs klemmen(4', 4") einer geregelten Gleichspannungsquelle (1) mit zwei symmetrisch arbeitenden Regelverstärkers (2', 2") liegt, zwischen den Ausgängen der Regelverstärker (2', 2") und den Ausgangsklemmen (4', 4") der Gleichspannungsquelle (1) je ein Meßwiderstand (R'M, R"]y) feschaltet ist, die Ausgänge (3'. 3") der Regelverstärker (2'., 2") mit den Eingängen eines symmetrischen Wechselspannungsverstärkers (5) mit Bandpaßcharakter verbunden sind und der Ausgang des Wechselspannungsverstärkers (5) mit dem Eingang eines SchmittTriggers (7) verbunden ist, dessen AusgangsSignal (UA) für die Änderungen des Sensorstromes (Is) repräsentativ ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß zwischen die je über einen Widerstand (R 401, R 402) mit den Polen der Referenzspannung verbundenen Re erenzspannungseingänge der beiden Regelverstärker 1 0 (2', 2") ein Siebkondensator (C 401) geschaltet ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Regelverstärker (2!, 2") im Gegenkopplungszweig einen Kondensator (C 402, C 403) zur Erzielung eines Tiefpaßcharakters aufweisen.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Grenzfrequenz des Wechselspannungsverstärkers (5) zwischen 5 und 10 Hz und ? **■n** die obere Grenz requenz zwischen 15 und 30 kHz liegt.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Regelkonstante der geregelten Gleichspannungsquelle (1) unter 1 us, vorzugs.
7. J"* weise unter 0,5 us, liegt.
Description:
Schaltungsanordnung zur Erfassung von Stromänderungs¬ signalen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Stro änderungsSignale eines an einer konstanten Gleichspannung liegenden Nadelhubsensors einer Einspritzdüse -für Brennkraftmaschinen.

Bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung werden Einspritzventile verwendet, bei welchen eine Ventilnadel unter dem Druck des einzuspritzenden Kraftstoffes kurzzeitig und periodisch gegen die Kraft einer Feder bewegt wird und hiebei von ihrem Ventilsitz abhebt. Da für eine optimale Regelung die Kenntnis des genauen Einspritzzeitpunktes sowie der Ein¬ spritzdauer notwendig ist, sind Einspritzventile mit integrierte Nadelhubsensoren entwickelt worden, die, häufig auf magnetischem Weg unter Verwendung von Hallelementen, in Abhängigkeit von der Lage der Düsennadel ein Ausgangssignal liefert.

Bei einer im.Handel erhältlichen Einspritzdüse dieser Art wird der Sensor mit einer konstanten Gleichspannung versorgt und bei öffnen des Ventils tritt eine Stromänderung von etwa 10 % auf, die weniger als ein Milliampere beträgt. Bei üblichen Brennkraftmaschinen liegt die Dauer der Sensorimpulse etwa zwischen 0,5 und 15 ms, ihr Abstand liegt dabei zwischen etwa

50 und 250 s. Wegen ihrer geringen relativen und absoluten Größe ist diese Stromänderung oft schwer erfaßbar, insbe¬ sondere wegen des in einem Kraftfahrzeug vorherrschenden hohen Störpegels. Auch führen bereits geringe Änderungen der VersorgungsSpannung zu Stromänderungen, die fälschlicher¬ weise als Impulse des Nadelhubsensors aufgefaßt werden können, wobei zu bedenken ist, daß das Tastverhältnis in dem weiten Bereich von etwa 0,2 bis 25 % liegen kann.

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Schal ungsanordnung zu schaffen, welche unter den Bedingungen die in Kraf fahrzeugen vorherrschen mit geringem Aufwand eine sichere Erfassung solcher Stromänderungen ermöglicht.

Dieses Ziel läßt sich mit einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erreichen, bei welcher erfindungs¬ gemäß der-Sensor am geregelten Ausgang einer geregelten Gleichspa nungsquelle liegt und zwischen dem Ausgang des Regelverstärkers und dem Ausgang der Gleichspannungsquelle ein Meßwiderstand geschaltet ist, der Ausgang des Regelver¬ stärkers mit dem Eingang eines Wechselspannungsverstärkers mit Bandpaßcharakter verbunden ist und der Ausgang des Wechselspannungsverstärkers mit dem Eingang eines Schmitt- Triggers verbunden ist, dessen AusgangsSignal für die Änderungen des Sensorstromes repräsentativ ist.

Eine Schaltungsanordnung die eine besonders hohe Störsicherheit aufweist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß der Sensor an den Ausgangsklemmen einer geregelten Gleichspannungs- quelle mit zwei symmetrisch arbeitenden Regelverstärkern liegt, zwischen den Ausgängen der Regelverstärker und den Ausgangs¬ klemmen der Gleichspannungsquelle Je ein Meßwiderstand ge-

schaltet ist, die Ausgänge der Regelverstärker mit den Eingängen eines symmetrischen Wechselspannungsverstärkers mit Bandpaßcharakter verbunden sind und der Ausgang des Wechsels ' pannungsverstärkers mit dem Eingang eines Schmitt-Triggers verbunden ist, dessen AusgangsSignal für die Änderungen des Sensorstromes repräsentativ ist.

Um auch über die Erdung der Schaltung einfließende Störungen eltgehend zu unterdrücken, empfiehlt es sich, wenn zwischen die je über einen Widerstand mit den Polen der Referenzspannung verbundenen Referenzspannungseingänge der beiden Regelverstärker ein Siebkondensator geschaltet ist.

Es hat sich auch als günstig herausgestellt, wenn der bzw. die Regelverstärker im Gegenkopplungszweig einen Kondensator zur Erzielung eines Tiefpaßcharakters aufweisen. * .

Im Sinne einer hohen Störfestigkeit ist es zweckmäßig, wenn die untere Grenz requenz des Wechselspannungsverstärkers zwischen 5 und 10 Hz und die obere Grenzfrequenz zwischen 15 und 30 kHz liegt.

Es ist weiters empfehlenswert, wenn die Regelzeitkonstante der geregelten Gleichspannungsquelle unter 1 ι_s, vorzugs- weise unter 0,5 i-is, liegt.

Die Erfindung samt ihren weiteren Vorteilen, und Merkmalen ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. in dieser zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild der Schaltungs¬ anordnung nach der Erfindung, Fig. 2 in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf einiger Signale der Schaltung, Fig. 3 eine im Detail ausgeführte Schaltung, und Fig. 4 eine ähnliche Schaltung mit noch höherer Störfestigkeit.

Gemäß Fig. 1 speist eine geregelte Gleichspannungsquelle 1 einen Nadelhubsensor Z s einer Einspritzdüse. Die Gleich¬ spannungsquelle 1 weist einen Regelverstärker 2 auf, an dessen nicht invertierenden Eingang eine Referenzgleich- Spannung UR gelegt ist. Zwischen dem Ausgang 3 des Verstärkers 2 und dem Ausgang 4 der Gleichspannungsquelle 1 liegt ein Meßwiderstand Rjyj, wobei der Ausgang 4, an dem der Sensor Z s liegt, zur Bildung der Regelschleife mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 2 verbunden ist. Der Ausgang 3 des Regelverstärkers 2 ist mit dem Eingang eines Wechselspannungs¬ verstärkers 5 verbunden, dessen Ausgang 6 wiederum mit dem Eingang eines Schmitt-Triggers 7 verbunden ist. An dem Ausgang des Schmitt-Triggers 7 tritt das gewünschte Ausgangs¬ signal U " A auf.

Die -Schaltungsanordnung nach der Erfindung arbeitet folgender¬ maßen. Die" Gleichspannungsquelle 1 sorgt am ' geregelten Ausgang 4 für eine konstante Spannung U s von z.B. 5 Volt, wobei ein Strom I s , z.B. 4 mA, durch den Sensor Z s fließt. Bei öffnen der Ventilnadel der Einspritzdüse sinkt der Strom I s gering¬ fügig, z.B. um 400 μA, ab (siehe Diagramm a der Fig. 2). Da die Gleichspannungsquelle 1 eine kurze Regelzeitkonstante, bei einer Kapazität des Verbindungskabels zum Sensor von 500 pF typisch 0,5 us oder kleiner, aufweist, wird die Spannung U s am Sensor Z s entsprechend rasch nachgeregelt; während des Sensorsignales sinkt jedoch die Spannung U3 am Ausgang 3 des Regelverstärkers 2 ab, z.B. um 220 mV (Diagramm b der Fig. 2).

Der Wechselspannungsverstärker 5 verstärkt diese Spannung, wobei am Ausgang 6 dieses Verstärkers eine Spannung U 6 auf¬ tritt, die im Diagramm c der Fig. 2 dargestellt ist. Die Amplitude dieser Spannungsimpulse beträgt nun etwa 4 V. Die untere Grenzfrequenz des Verstärkers wird zwischen etwa 5 bis 10 Hz, im folgenden Schaltungsbeispiel CFig. 3) 7 Hz, gewählt, um einerseits die erforderliche Gleichspannungs¬ trennung zu erhalten und um andererseits zu vermeiden, daß langfristige Spannungsänderungen (Drift) als Nadelhubsignale

10 aufgefaßt werden. Die obere Grenzfrequenz wird mit etwa 15 bis 30 kHz gewählt, im folgenden Ausführungsbeispiel 13 kHz. Hiedurch sollen kurzfristige Störspitzen, die in Kraftfahr¬ zeugen häufig auftreten, unterdrückt werden.

15 Qie AusgangsSpannung L des Wechselspannungsverstärkers 5 ist dem Schmitt-Trigger 7 zugeführt, dessen Schaltschwellen so "gelegt sind, daß' auch bei den längsten vorkommenden ' Nadel¬ hubsignalen die Signalflanken von U 6 sicher erfaßt werden. Dies ist dem Diagramm c der Fig. 2 entnehmbar,- in dem die

-* * - 1 Schaltschwellen des Schmitt-Triggers 7 strichliert ein¬ gezeichnet sind. Am Ausgang des Schmitt-Triggers 7 tritt dann die AusgangsSpannung U. mit einer Amplitude von z.B. 5 Volt auf (siehe Diagramm d der Fig. 2) .. Die Spannung U« ent¬ spricht in ihrem zeitlichen Verlauf den Sensorsignalen und

-- * kann einer Regeleinheit zur Regelung und Steuerung der Brenn¬ kraftmaschine zugeführt werden.

In Fig. 3 ist eine unter Verwendung dreier identischer Operationsverstärker aufgebaute praktische Schaltungsanordnung

30 gezeigt. Die geregelte Gleichspannungsquelle 1 enthält einen Operationsverstärker 2, dessem nicht invertierenden Eingang über ein Siebglied R- , C., eine Referenzspannung U R zugeführt ist. Der Ausgang 3 des Operationsverstärkers ist über einen Meßwiderstand R^ zu dem Ausgang 4 der Gleichspannungsquelle 1

geführt; zwischen diesem Ausgang 4 und Masse ist der Nadel¬ hubsensor Z geschaltet, wobei je eine Schutzdiode D- , D 2 Von diesem Ausgang 4 gegen Masse bzw. gegen die Betriebs¬ spannung U B geschaltet ist. Weiters ist von dem Ausgang 4 eine Diode D, in Durchlaßrichtung zum nicht invertierenden

Eingang des Verstärkers 2 geführt. Hiedurch wird bei Abschalten des Gerätes oder bei Ausfall der Referenzspannung eine Ober¬ spannung am Sensor vermieden. Die Betriebsspannung U-n ist dem Verstärker 2 über ein Siebglied R 2 , C, zugeführt. Zur Bildung der Regelschleife ist der Ausgang 3 des Verstärkers 2 mit dessen invertierendem Eingang verbunden.

Der Wechselspannungsverstärker 5 enthält ebenfalls einen Operationsverstärker 8, dessen nicht invertierender Eingang zur Festlegung des Arbeitspunktes an der Referenzspannung U R liegt. Ober die Serienschaltung eines Widerstandes R, und eines Kondensators C ist der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 8 mit dem Ausgang 3 des Verstärke ' rs -2 * verbunden. Im Gegenkoppl'ungszweig des Operationsverstärkers 8 liegt ein Parallel-RC-Glied R 4 , C^ .

Auch der Schmitt-Trigger 7 enthält einen Operationsverstärker 9, dessen invertierender Eingang über einen Widerstand R 5 mit dem Ausgang 6 des Wechselspannungsverstärkers 5 verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist über einen Spannungs¬ teiler R,, R gegen Masse geführt. An dem Spannungsteiler wird die Ausgangsspannung U. abgegriffen. Der Ausgang des Verstärkers 9 ist über einen Widerstand R g zu dem nicht invertierenden Eingang geführt. Dieser Eingang liegt weiters einerseits über einen Widerstand R g an der Betriebsspannung U B , andererseits über einen Widerstand R-. Q an der Referenzspannung U R . Der Arbeitspunkt des Verstärkers bzw. die Schaltschwellen des Schmitt-Triggers. - bei- der aus Fig. 3 ersichtlichen Dimensionieru +0,6 V bzw. +1,7 Volt - sind demnach durch die Spannungen U R und U-r, sowie durch die Widerstände R g bis R- Q festgelegt.

Es sei hier angemerkt, daß sich die im Zusammenhang mit dem Blockschaltbild nach Fig. 1 erwähnten Signalwerte auf die Dimensionierung nach Fig. 3 beziehen. Die Aus angsSpannung ü^ entspricht dem standardisiertem CMOS-Pegel und kann daher 5 digital weiterverarbeitet werden.

Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung unterscheidet sich im Detail von der Schaltung nach Fig. 3 vor allem dadurch, daß die Gleichspannungsquelle 1 zwei symmetrisch arbeitende Regelver- 10 stärker 2', 2" enthält und der Wechselspannungsverstärker 5 als Differenzverstärker ausgebildet ist.

Im einzelnen enthält die Gleichspannungsquelle 1 zwei Operations¬ verstärker 2', 2", wobei der nicht invertierende Eingang des

15 ersten Operationsverstärkers 2' über einen Widerstand R 01 an der Referenzspannung UR und der nicht invertierende Eingang .des zweiten Operationsverstärkers 2" über einen Widerstand R402 an Masse liegen. Zwischen die beiden erwähnten Eingänge ist ein Siebkondensator C^QI geschaltet. Durch diese symmetrische

20 Siebung der Referenzspannung können verschiedene Störeinflüsse, die z.B. über die Erdung eingeschleift werden, eliminiert werden.

•Die Ausgänge der Operationsverstärker 2', 2" sind je über einen Meßwiderstand R'M- R"M ZU < -- en Ausgangsklemmen 4', 4" der Gleich-

25 spannungsquelle 1 geführt, an die über ein geschirmtes Kabel der Nadelhubsensor Z s geschaltet ist, wobei, ähnlich wie nach Fig. 3 , zwei Schutzdioden Q1, D4 Q 2 an den Ausgangsklemmen liegen. Im Gegenkopplungszweig der Verstärker 2', 2" liegen je ein Kondensator C402 DZW « c 403 un< -- ein Widerstand R404 bzw.

*- ( - ) -^406- um deπι Verstärker Tiefpaßcharakter zur Ausfilterung höher- frequenter Störungen zu geben.

Der Wechselspannungsverstärker 5 enthält einen Operationsver¬ stärker 8a, der als Differenzverstärker arbeitet. Seine beiden Eingänge sind je über ein RC-Glied C404/ R 407 DZW * C 405/ R 408 mit den 'Ausgängen 3', 3" der Regelverstärker 2', 2" verbunden. Der nicht invertierende Eingang liegt über einen Widerstand

--.410 an Masse. Der Gegenkopplungszweig des Verstärkers besteht aus einem Parallel-RC-Glied C406 R409-' **- s **- st ersichtlich, daß der Verstärker 5 dieses Ausbildungsbeispiels ebenso Bandpa߬ charakter zeigt wie jener nach der vorhin beschriebenen Aus- führung.

Der Schmitt-Trigger 7 enthält einen Operationsverstärker 9a, dessen invertierender Eingang mit dem Ausgang des Wechsel¬ spannungsverstärkers 5 verbunden ist. Der nicht invertierende Eingang liegt über einen Widerstand R412 n Masse.

Der Ausgang des Operationsverstärkers ist.über einen Spannungs¬ teiler R_n_μ R 4i5 S e S en Masse " geführt. An dem Spannungsteiler wird über eine Diode D40 die AusgangsSpannung U^ abgenommen, wobei eine weitere Diode D 03 vo n dem Teilerpunkt gegen die Referenzspannung U*-> (5 * 1 V) führt. Der Teilerpunkt ist über einen Widerstand R ]|13 mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers Sa. verbunden. Ein parallel geschalteter Kondensator C407 dien ^ zur Verbesserung der Flankensteilheit.

Die Dioden D403.» D 4 θ 4 am Ausgang des Schmitt-Triggers bewirken folgendes: Die Diode D403 klemmt die AusgangsSpannung auf den Wert U R + u D (=spannungsabfall an der Diodenstrecke), wobei hier anzumerken ist, daß alle Operationsverstärker mit einer Spannung U-3 (12 V) betrieben werden, die größer ist als UR (5,1 V). Die Diode D404 kompensiert den Spannungsabfall an der Diode D403 wieder, sodaß am Ausgang genau die Spannung U--> bzw. die Spannung "Null" liegt.

Gegenüber der Schaltung nach Fig. 3 bietet die eben beschriebene Schaltung den Vorteil noch höherer Störfestigkeit. Diese wird einerseits durch die bereits erwähnte symmetrische, erdfreie Zuführung und Siebung der Referenzspannung in der Gleich- spannungsquelle 1 erreicht und andererseits durch die symmetrische und erdfreie Zuführung der Gleichspannung an den Sensor Z s . Gleichtaktig auftretende induktive Einstreuungen auf die Verbindungsleitung zwischen Sensor Z s und Gleich¬ spannungsquelle 1 werden ebenso unterdrückt wie kapazitive Einstreuungen auf den Sensor.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gewährleistet beim Einsatz in Kraftfahrzeugen trotz der dort auftretenden starken elektromagnetischen Störungen ein sicheres Erfassen der schwachen Stromsignale des Nadelhubsensors. Die Funktion der Schaltung bleibt bei Toleranzen des Nadelhubsignales bis etwa +/- 10 % unbeeinflußt.. Anzumerken ist noch, daß die Erfindung auch für Nadelhubsensoren anwendbar ist, deren Strom sich bei Öffnen der Ventilnadel erhöht.