DE102013002960B4 - Motorsteuerung sowie Verfahren zur Datenübertragung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Übertragung von Daten einer Motorsteuerung (2) eines Verbrennungsmotors (1), insbesondere eines handgeführten Arbeitsgerätes, mittels eines gepulsten Energieversorgungssignals (UPWM, Umod) mit aktiven Pulsphasen (Pa) und mit inaktiven Pulsphasen (Pi), – wobei während der aktiven Pulsphasen (Pa) und/oder während der inaktiven Pulsphasen (Pi) positive Spannungspulse (U(+)) und negative Spannungspulse (U(–)) erzeugt werden, und – wobei während der aktiven Pulsphasen (Pa) und/oder während der inaktiven Pulsphasen (Pi) die negativen Spannungspulse (U(–)) moduliert und die modulierten negativen Spannungspulse (U(–)) als Dateninformation (Un) an einem Steueranschluss (16) der Motorsteuerung (2) bereitgestellt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten einer Motorsteuerung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines handgeführten Arbeitsgerätes, sowie danach arbeitende Motorsteuerung.
• Aus der DE 10 2006 038 278 A1 ist ein tragbares, handgeführtes Arbeitsgerät mit einer einen Verbrennungsmotor steuernden Zentraleinheit bekannt, auf die über eine bidirektionale Schnittstelle ein Datenzugriff gegeben ist, um Daten von einem Empfänger außerhalb des Arbeitsgerätes abzurufen. Als Schnittstelle wird ein vorhandener Anschluss (Stop-Anschluss) herangezogen, der auch zum Abgriff eines Energiesignals zum Betrieb eines Verbrauchers (Last), z. B. eines Aktors in Form eines Ventils, dient.
• Um bei eingeschaltetem Verbraucher eine Datenübertragung auszuführen, werden Spannungssignale amplitudenmoduliert. Diese Amplitudenmodulation führt zu einer Veränderung des Energiesignals bzw. des Stroms, da diese Modulation nicht nur während signalfreier Zeitabschnitte (Ausschaltzeiten), sondern auch während solcher Zeitabschnitte (Einschaltzeiten) erfolgt, innerhalb derer der Verbraucher eingeschaltet ist und demzufolge ein Signal am Anschluss anliegt.
• Aus der DE 10 2006 039 985 A1 ist ein Datenübertragungsverfahren unter Verwendung einer Kommunikationseinrichtung insbesondere in Verbindung mit einer Einspritzsteuerung für Einspitzventile von Verbrennungsmotoren bekannt, wobei mittels einer Pulsweitenerfassungsinrichtung erfasste Pulsweiten der Versorgungsstrompulse der Einspitzventile hinsichtlich deren Informationsinhalt ausgewertet werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur verbesserten Datenerzeugung und/oder -übertragung einer Motorsteuerung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines handgeführten Arbeitsgerätes, anzugeben. Des Weiteren soll eine hierzu geeignete Motorsteuerung angegeben werden.
• Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Hierzu ist als Datenträger ein von einer Motorsteuerung erzeugtes gepulstes Energieversorgungssignal mit aktiven und mit inaktiven Pulsphasen vorgesehen, welches an einen Aktor, insbesondere an ein Misch- oder Einspritzventil zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Verbrennungsmotor, geführt wird. Während der aktiven Pulsphasen des gepulsten Energieversorgungssignals werden zusätzlich zu positiven Spannungspulsen auch negative Spannungspulse generiert, wobei zur Erzeugung übertragbarer Daten oder Dateninformationen vorzugsweise lediglich die negativen Spannungspulse moduliert werden. Mit anderen Worten werden während der aktiven Pulsphasen Daten- oder Informationseinheiten vorzugsweise lediglich in die negativen Spannungspulse eingeprägt, während die positiven Spannungspulse der aktiven Pulsphasen unverändert, also insbesondere unmoduliert bleiben und ausschließlich der Energieversorgung des Aktors dienen.
• Zusätzlich oder alternativ werden während der inaktiven Pulsphasen ebenfalls ein gepulstes Signal erzeugt und Daten- oder Informationseinheiten wiederum lediglich in die negativen Spannungspulse des gepulsten Signals eingeprägt. Die Pulsbreite, Pulshöhe und/oder das Puls-Pausen-Verhältnis (Tastgrad oder duty cycle) der Spannungspulse während der inaktiven Pulsphasen ist derart eingestellt, dass in den inaktiven Pulsphasen nur eine derart geringe Energie zu einem an einen Steueranschluss der Motorsteuerung angeschlossenen und mittels des Energieversorgungssignals betriebenen Aktor übertragen wird, dass diese Energie in den inaktiven Pulsphasen zur Betätigung des Aktors nicht ausreicht. Mit anderen Worten ist die in den Spannungspulsen innerhalb der inaktiven Pulsphasen enthaltene Energie bzw. der entsprechende Strom derart gering bemessen, dass der Aktor selbst nicht anspricht.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass einerseits ein Aktor in Form insbesondere eines Misch- oder Einspritzventil zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Verbrennungsmotor innerhalb bestimmter Grenzen gegenüber Schwankungen in dessen elektrischer Energieversorgung unempfindlich ist. Andererseits treten infolge von betriebsbedingten Rückkopplungen einer dem Ventil inhärenten Induktivität in einem gepulsten Energieversorgungssignal negative Spannungspulse – sogenannte Freilaufpulse – auf. Freilaufpulse entstehen an einem induktiv wirkenden Aktor insbesondere dann, wenn dieser mit einer gepulsten oder pulsförmigen, d. h. beispielsweise pulsweitenmodulierten (PWM) Versorgungsspannung betrieben wird.
• Die negativen Spannungspulse aus dem Aktor in die Motorsteuerung treten während aktiver Pulsphasen des Energieversorgungssignals auf. Dieses wiederum ist aus alternierend positiven und negativen Spannungspulsen (Ein- und Ausschaltzeiten) gebildet, wobei mit vergleichsweise kleiner Puls- oder Taktfrequenz den aktiven Pulsphasen periodisch inaktive Pulsphasen folgen (überlagerte, grobe Pulsweitenmodulation oder PWM). Innerhalb dieser überlagerten Pulsphasen sind den aktiven Pulsphasen wiederum alternierend positive und negative Spannungspulse mit vergleichsweise großer Puls- bzw. Taktfrequenz unterlagert (unterlagerte, feine Pulsweitenmodulation bzw. PWM).
• Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass mittels des als Trägersignal herangezogenen PWM-Signals ein Datenaustausch bzw. eine Datenübertragung praktisch unabhängig von der Aktor- bzw. Ventilsteuerung erfolgen kann, wenn während einer aktiven Pulsphase lediglich in die negativen Spannungspulse (Freilaufpulse) informations- oder datentragende Schwankungen, insbesondere durch ein- oder mehrstufige Modulation, eingeprägt werden. Der induktive Aktor baut während eines Spannungspulses ein magnetisches Feld auf, das im Anschluss an den Spannungspuls abgebaut wird. Der Abbau des aufgebauten magnetischen Feldes erfolgt über den Freilaufpuls in Form eines Freilaufstromes (Freilaufpuls). Die Erfindung nutzt diesen Freilaufpuls quasi als untergeordnetes Energieträgersignal (feine PWM) und lässt somit das übergeordnete PWM-Signal (grobe PWM) zur Aktorbeeinflussung für die Kraftstoffmengeneinstellung unangetastet, so dass die Ansteuerung des Aktors unabhängig von der Datenübertragung ist.
• Der gleiche Effekt tritt auch während der inaktiven Pulsphasen auf, wenn dort ebenfalls positive Spannungspulse erzeugt werden und deren Energie bzw. resultierende Stromstärke die Ansprechschwelle des Aktors unterschreitet. Diese vergleichsweise schwachen Spannungspulse führen jedoch wiederum zu Freilaufpulsen mit negativen Spannungswerten, die ebenfalls zur Modulation von Daten- oder Informationseinheiten herangezogen werden können.
• Die Einprägung der Daten in das Energieübertragungssignal erfolgt bevorzugt mittels Amplitudenmodulation. Die Amplitudenmodulation kann durch einfache Mittel technisch umgesetzt und auch empfängerseitig in einfacher Art und Weise decodiert werden. Grundsätzlich können die Daten jedoch auch phasenmoduliert, frequenzmoduliert oder – insbesondere unter Berücksichtigung der Beschaffenheit des elektrischen Energieversorgungssignals als pulsförmiges Signal – pulsbreitenmoduliert werden.
• In vorteilhafter Weiterbildung wird während der aktiven Pulsphasen bzw. während der inaktiven Pulsphasen eine Anzahl von elektronischen Bauelemente zum Modulieren mehrerer Dateninformationen zu- oder abgeschaltet. Die elektronischen Bauelemente sind dem Steueranschluss – bezüglich der Motorsteuerung insbesondere intern, jedoch vorzugsweise zusätzlich auch extern – zugeordnet und können diesem vorzugsweise parallel und geeigneterweise gegen Masse oder Ground geschaltet sein. Da jedes elektrische Bauelement eine Übertragungsfunktion aufweist, kann ein Empfänger der zu übertragenden Daten diese anhand der Übertragungsfunktion erkennen.
• Zum Modulieren einer ersten Dateninformation (Daten- oder Informationseinheit) wird geeigneterweise eine Reihenschaltung aus zwei elektronischen Bauelementen herangezogen, wobei eines der beiden Bauelemente kurzgeschlossen oder dem anderen Bauelement seriell zugeschaltet wird. Werden weitere elektronische Bauelemente bereitgestellt, so können entsprechend weitere Dateninformationen (Daten- oder Informationseinheit) generiert werden.
• Die Informationseinheit kann beispielsweise ein Bit sein. Jedoch kann als Informationseinheit auch ein mehrere Bits repräsentierendes Symbol verwendet werden, wenn eine entsprechende Anzahl von Bauelementen zur Datenübertragung verwendet werden, die wiederum eine entsprechende Anzahl von Modulationsschwellen in das Energieversorgungssignal einführen.
• Die Motorsteuerung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines handgeführten Arbeitsgerätes, ist zur Erzeugung und/oder Übertragung von Daten dazu vorgesehen und eingerichtet, an einem Steueranschluss eine gepulstes Energieversorgungssignal mit aktiven Pulsphasen und mit inaktiven Pulsphasen, vorzugsweise für einen Aktor der oben genannten Art, bereitzustellen. Eine mit dem Steueranschluss verbundene Energieversorgungsschaltung der Motorsteuerung dient zur Erzeugung von alternierend positiven und negativen Spannungspulsen (feine PWM) während der aktiven und/oder während der inaktiven Pulsphasen des Aktorsteuersignals (grobe PWM). Während der inaktiven Pulsphasen unterschreitet der aus dem Energieversorgungssignal (feine PWM) resultierende elektrische Strom die während der aktiven Pulsphasen erreichte oder überschrittene Ansprechschwelle des Aktors.
• Des Weiteren sind Mittel vorgesehen, um während der aktiven bzw. während der inaktiven Pulsphasen die negativen Spannungspulse zu modulieren. Diese Mittel, insbesondere in Form eines vorzugsweise ansteuerbaren Schalters, sind Teil der Motorsteuerung oder der Energieversorgungsschaltung, also interne Mittel. Zur Modulation der negativen Spannungspulse werden geeigneterweise auch externe Mittel in Form eines vorhandenen manuellen Schalters herangezogen. Die modulierten negativen Spannungspulse werden als Dateninformationen am als Schnittstelle wirksamen Steueranschluss der Motorsteuerung und somit von dieser bereitgestellt und können dort abgegriffen werden.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Motorsteuerung ist der ansteuerbare (interne) Schalter in eine interne Modulationsschaltung mit mindestens einem elektronischen Bauelement integriert, das mittels des ansteuerbaren Schalters zu- und abgeschaltet werden kann. Die interne Modulationsschaltung ist geeigneterweise aus einer Reihenschaltung mit einem ersten elektronischen Bauelement, vorzugsweise einer Freilaufdiode, und mit einem zweiten elektronischen Bauelement, vorzugsweise einer Durchbruchdiode, gebildet, die zweckmäßigerweise zur Freilaufdiode antiseriell geschaltet ist.
• Der interne Schalter, der geeigneterweise dem zweiten elektronischen Bauelement parallel geschaltet ist, ist insbesondere derart ansteuerbar, dass die negativen Spannungspulse des Energieversorgungssignals während der aktiven und/oder inaktiven Pulsphasen bei abgeschaltetem (kurzgeschlossenem) elektronischen Bauelement – also bei geschlossenem internen Schalter – einen ersten negativen Spannungswert als erste Dateninformation annehmen. Ein zweiter und dritter negativer Spannungswert werden als zweite bzw. dritte Dateninformation bereitgestellt, wenn bei geöffnetem internen Schalter der manuell betätigbare externe Schalter geöffnet bzw. geschlossen ist. Aus der zweiten und dritten Dateninformation lässt sich somit auch der Schaltzustand des manuellen Schalters bestimmen. Zur Ansteuerung des internen Schalters dient vorzugsweise ein Mikroprozessor, der ein Daten- oder Steuersignal zur Ansteuerung des Schalters erzeugt.
• Der ansteuerbare, interne Schalter ist vorteilhafterweise Schaltungsteil der Energieversorgungsschaltung der Motorsteuerung und dient als Mittel zur Modulation der negativen Spannungspulse. Der vorzugsweise als elektronischer Halbleiterschalter ausgeführte interne Schalter dient dabei geeigneterweise zum seriellen Zuschalten eines der elektronischen Bauelements der internen Modulationsschaltung zu dem weiteren elektronischen Bauelement dieser Modulationsschaltung. Der interne Schalter ist derart ansteuerbar, dass die negativen Spannungspulse bei zugeschaltetem Bauelement einen anderen Spannungswert annehmen als bei kurzgeschlossenem Bauelement. Der Mikroprozessor der Motorsteuerung überträgt dann das Signal zur Ansteuerung des Schalters an die Energieversorgungsschaltung.
• Die Motorsteuerung umfasst zudem vorzugsweise einen Speicher, in dem ein das Verfahren durchführender Algorithmus oder ein entsprechendes Computerprogramms hinterlegt ist, das der Mikroprozessor ausführt, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
• Für die mehreren Dateninformationen ist dem Steueranschluss der Motorsteuerung geeigneterweise eine weitere, externe Modulationsschaltung mit mindestens einem elektronischen Bauelement und mit dem manuell betätigbaren externen Schalter zugeordnet. Die externe Modulationsschaltung ist vorzugsweise aus einer Reihenschaltung zweier elektronischer Bauelement, insbesondere wiederum einer Freilaufdiode und einer Durchbruchdiode, und dem externen Schalter gebildet. Bei geschlossenem Schalter nehmen die negativen Spannungspulse einen anderen negativen Spannungswert als Dateninformation an als bei geöffnetem Schalter.
• Bei dem externen Schalter handelt sich um einen vorhandenen mechanischen Schalter des Verbrennungsmotors, der üblicherweise zur Einstellung einer Drosselklappe dient. Dieser Schalter, der auch als Einhebelwellenschalter bezeichnet wurde, definiert allgemein drei Zustände oder Positionen, nämlich Start, Stop und Betrieb.
• Die an den Steuerausgang der Motorsteuerung angeschlossene externe Modulationsschaltung ist geeigneterweise gegen Masse oder Ground sowie ebenso wie die interne Modulationsschaltung dem Aktor bzw. Ventil parallel geschaltet. Der Schaltzustand (offen oder geschlossen) des an den Steuerausgang der Motorsteuerung angeschlossenen externen Schalters führt vorteilhafterweise zu den weiteren Modulationen der negativen Spannungspulse während der aktiven bzw. der inaktiven Pulsphase des gepulsten Energieversorgungssignals und somit zur Einprägung der zwei weiteren Dateninformationen in die negativen Spannungspulse (Freilaufpulse).
• Die zur Modulation der negativen Spannungspulse und somit zur Datenbereitstellung bzw. Datengenerierung und/oder Datenübertragung erforderliche Energie wird vom Zündsystem der Motorsteuerung – wiederum generiert über ein (magnetisches) Polrad auf der Kurbelwelle der Verbrennungsmaschine – praktisch innerhalb der Motorsteuerung erzeugt. Die in Folge der Modulation der negativen Spannungspulse generierten Daten oder Dateninformationen sind am Steueranschluss der Motorsteuerung bereitgestellt und können dort beispielsweise von einem externen Gerät abgerufen werden, soweit dieses die gleichen Bauelement- und Schalterkonfiguration aufweist wie die interne (erste) Modulationsschaltung der Motorsteuerung. Eine bidirektionale Datenübertragung kann dabei geeigneterweise durch Zeit-Multiplex-Verfahren erreicht werden. Der Steueranschluss ist dann als Schnittstelle für eine bidirektionale Datenübertragung geeignet, so dass auch von außen über diese Schnittstelle an die Motorsteuerung abgegebene Daten von dieser verarbeiten werden können.
• Zum Austausch von Daten mit der dem Verbrennungsmotor zugeordneten Motorsteuerung muss das externe Gerät über eine geeignete Schnittstelle zum Verbinden mit dem Steueranschluss der Motorsteuerung verfügen. Das Gerät kann beispielsweise ein Handgerät zum Programmieren der Motorsteuerung und/oder zum Auslesen von Daten aus der Motorsteuerung zu Diagnosezwecken sein. Alternativ kann das Gerät aber auch ein fest installierter Prüfstand sein, mit dem beispielsweise der Verbrennungsmotor eingestellt und/oder getestet werden kann.
• Erfindungsgemäß können praktisch beliebig viele Bauteile, insbesondere Dioden, in der internen Modulationsschaltung vorgesehen sein. Zumindest einigen dieser Dioden ist dann ein motorsteuerungsinterner Schalter zugeordnet, so dass die einzelnen Dioden von der Motorsteuerung bzw. deren Mikroprozessor einer Serienschaltung zu- oder abgeschaltet bzw. kurzgeschlossen werden können, was jeweils unterschiedliche Spannungspegel innerhalb der negativen Spannungspulse und somit weitere Dateninformationen bewirkt.
• Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
• 1 ein Prinzipschaltbild eines Verbrennungsmotors mit einer Motorsteuerung und mit einer Energieversorgungsschaltung für ein Ventil zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches,
• 2 ein Prinzipschaltbild der Motorsteuerung mit einem Steueranschluss für das Ventil,
• 3 eine Energieversorgungsschaltung der Motorsteuerung zur Datenerzeugung und zum Datenaustausch mit einem externen Gerät,
• 4 den zeitlichen Verlauf eines gepulsten Energieversorgungssignals für das Ventils mit aktiven und inaktiven Pulsphasen, und
• 5 den zeitlichen Verlauf eines modulierten gepulsten Energieversorgungssignals entsprechend 4 mit Dateninformationen.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt in einem Prinzipschaltbild einen Zweitaktverbrennungsmotor als Verbrennungsmotor 1 mit einer Motorsteuerung 2. Der Verbrennungsmotor 1, der beispielsweise auch ein Viertaktmotor sein kann, ist in einer geeigneten Anwendung der Antrieb eines nicht näher dargestellten tragbaren, handgeführten Arbeitsgerätes, z. B. einer Motorkettensäge.
• Der Verbrennungsmotor 1 weist eine Kurbelkammer 3 auf, die von einer Kurbelwelle 4 durchdrungen ist. Die Kurbelwelle 4 wird über eine Pleuelstange 5 von einem Kolben 6 angetrieben, der beweglich in einer Brennkammer 7 aufgenommen ist. In die Brennkammer 7 kann über einen Einlass 8 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch 9 eingelassen und über einen Auslass 10 ein Abgas 11 aus der Brennkammer 7 ausgelassen werden. Die Brennkammer 7 ist mit der Kurbelkammer 3 über einen Spülkanal 12 verbunden. In die Brennkammer 7 ist ferner eine Zündkerze 13 eingeführt, die von der Motorsteuerung 2 angesteuert wird.
• In der in 1 gezeigten Stellung des Kolbens 6 wird hinsichtlich des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 davon ausgegangen, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch 9 in der Brennkammer 7 aufgenommen ist. Die Kurbelwelle 4 besitzt im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 eine den Kolben 6 in Richtung der Zündkerze 13 treibende Rotationsenergie aus einer bereits erfolgten Verbrennung in der Brennkammer 7. Dabei wird in der Kurbelkammer 3 ein Unterdruck erzeugt und über den geöffneten Einlass 8 weiteres Kraftstoff-Luft-Gemisch 9 in die Kurbelkammer 3 eingesaugt. Die notwendige Rotationsenergie zum Bewegen des Kolbens 6 kann zu Beginn des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 anderweitig, beispielsweise über einen Handantrieb der Kurbelwelle 4 bereitgestellt werden.
• Überschreitet der Kolben 6 den sogenannten oberen Totpunkt, so zieht die Rotationsenergie der Kurbelwelle 4 den Kolben 6 zurück zur Kurbelkammer 3. Dabei wird mittels der Zündkerze 13 das in der Brennkammer 7 aufgenommene Kraftstoff-Luft-Gemisch 9 gezündet, so dass dieses zum Abgas 11 verbrennt. Die entsprechende Explosion drückt den Kolben 6 zusätzlich zur Kurbelkammer 3 und erhöht auf diese Weise die Rotationsenergie der Kurbelwelle 4. Der Kolben 6 schließt den Einlass 8 und erhöht durch dessen weitere Abwärtsbewegung den Druck des in der Kurbelkammer 3 aufgenommenen Kraftstoff-Luft-Gemischs 9. In etwa auf der Höhe des sogenannten unteren Totpunktes des Kolbens 6 öffnet dieser den Auslass 10 und den Spülkanal 12, wodurch das in der Kurbelkammer 3 aufgenommene Kraftstoff-Luft-Gemisch 9 in die Brennkammer 7 gedrückt wird, das wiederum das Abgas 11 in der Brennkammer 7 in den Auslass 10 treibt. Nachdem der Kolben 6 den unteren Totpunkt überschritten hat, beginnen die zuvor beschriebenen Arbeitstakte erneut. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch 9 wird mittels eines Ventils 14 eingestellt, dem Kraftstoff K zugeführt werden.
• Die Motorsteuerung 2 dient zur Ansteuerung der Zündkerze 13 und des Ventils 14 als Aktor. Auch können alternative oder weitere Aktoren vorgesehen sein. Die Motorsteuerung 2 weist einen Zündkerzenanschluss 15 zur Ansteuerung der Zündkerze 13 und einen Steueranschluss 16 zur Ansteuerung des Ventils 14 sowie gegebenenfalls einen weiteren Anschluss 17 auf, an den ein Schalter zum Abschalten der Motorsteuerung und/oder des Verbrennungsmotors 1 angeschlossen sein kann. Über eine Energieübergabestelle 18 aus dem Verbrennungsmotor 1 wird die Motorsteuerung 2 mit der zum Betrieb notwendigen, nachfolgend auch als Versorgungsspannung U_V bezeichneten elektrischen Energie versorgt.
• An den Steueranschluss 16 kann ein hier nicht dargestelltes externes Handgerät 31 (3) als Datenübertragungseinrichtung angeschlossen werden, um Daten mit der Motorsteuerung 2 auszutauschen. Der Steueranschluss 16 dient dann gegebenenfalls als Schnittstelle für einen bidirektionalen Datenaustausch. Mit dem Steueranschluss 16 ist eine dem Ventil 14 parallel geschaltete und gegen Masse oder Ground G geführte Reihenschaltung mit zwei nachfolgend näher bezeichneten und beschriebenen elektronischen Bauelementen sowie mit einem mechanischen, manuell betätigbaren Schalter 19 verbunden.
• Der Schalter 19, der zur Einstellung einer (nicht dargestellten) Drosselklappe des Verbrennungsmotors 1 dient, kann zusätzlich zum geöffneten und geschlossenen Schaltzustand auch eine Zwischen- oder Zusatzposition (normal) einnehmen. Der mechanische Schalter 19 ist an einer zum Ventil 14 führenden Aktor- oder Ventilleitung 20 angeordnet, so dass keine separate Leitung für den Schalter 19 vorgesehen ist. Die Ventilleitung 20 wiederum ist an den Steueranschluss 16 der Motorsteuerung 2 geführt.
• Wie in 2 veranschaulicht ist, erhält die Motorsteuerung 2 deren elektrische Versorgungsenergie aus der Rotationsenergie der Kurbelwelle 4. Dazu ist auf die Kurbelwelle 4 ein Polrad 21 aufgesetzt, in das ein mindestens zweipoliger Dauermagnet N (Nordpol), S (Südpol) eingesetzt ist. Durch die Rotation des Polrades 21 streicht der Dauermagnet N, S an einem Weicheisen- oder Ferritkern 22 vorbei, wodurch diesen ein magnetisches Wechselfeld durchdringt, das in einer Ladespule 23 eine Ladespannung U_L, in einer Zündspule 24 eine Zündspannung U_Z und in einer Hilfsspule 25 eine Hilfsspannung U_H induziert.
• Die Ladespannung U_L aus der Ladespule 23 wird in einem Energiespeicher 26 zwischengespeichert, der einen Mikroprozessor 27 der Motorsteuerung 1 mit elektrischer Energie in Form einer ersten Versorgungsspannung U_V1 versorgt. Zudem versorgt der Energiespeicher 26 auch eine Energieversorgungsschaltung 28 zur elektrischen Energieversorgung des Ventils 14 über den Steueranschluss 16 mit einer zweiten Versorgungsspannung U_V2. Ferner wird die Ladespannung U_L an eine Leistungsschaltung 29 geführt, die einen Teil der Rotationsenergie des Polrades 21 in einem (nicht gezeigten) Kondensator zwischenspeichert.
• Die Zündspannung U_Z aus der Zündspule 24 wird über den Zündkerzenanschluss 15 an die Zündkerze 13 abgegeben. Die Zündspannung U_Z wird zusätzlich zum magnetischen Wechselfeld durch den Ferritkern 22 auch basierend auf einer Speicherspannung U_S aus der Leistungsschaltung 29 erzeugt.
• Die Hilfsspannung U_H aus der Hilfsspule 25 wird an eine Signalaufbereitungsschaltung 30 abgegeben, die aus der Hilfsspannung U_H verschiedene Zustandssignale über die Betriebsbedingungen oder -zustände des Verbrennungsmotor 1 berechnet. Unter Zustandssignal wird insbesondere ein Positionssignal S_P, das die Lage des Polrades 21 und damit der Kurbelwelle 4 angibt, ein Richtungssignal S_R, das die Drehrichtung des Polrades 21 und damit der Kurbelwelle 4 angibt, und ggf. ein weiteres Motorsignal S_M verstanden.
• Die Zustandssignale S_P, S_R, S_M werden dem Mikroprozessor 27 übergeben, der darauf basierend die Aktoren des Verbrennungsmotors 1 ansteuert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sollen für diese Aktoren lediglich das Ventil 14 und die Zündkerze 13 betrachtet werden. Je nach Art des Verbrennungsmotors 1 können jedoch weitere Aktoren vorhanden sein, wie beispielsweise ein Einlassventil in die Brennkammer 7, ein Auslassventil aus der Brennkammer 7 oder ein Nockenwellenversteller.
• Je nach Lage des Polrades 21 und damit der Kurbelwelle 4 wird die Zündspannung U_Z an die Zündkerze 13 abgegeben. Dazu steuert der Mikroprozessor 27 die Leistungsschaltung 29 mit einem Leistungssignal S_L an. In der Leistungsschaltung 29 befindet sich ein Kondensator (Zündkondensator), in dem ein Teil der Rotationsenergie des Polrades 21 in Form von elektrischer Energie gespeichert wird. Basierend auf der Ladespannung legt die Leistungsschaltung 29 die gespeicherte Rotationsenergie als die Speicherspannung U_S an die Zündspule 13 an, so dass gemeinsam mit der Rotationsenergie des Polrades 21 die Zündspannung U_Z in Form eines Hochspannungspulses erzeugt wird.
• Entsprechend dem durch die Zustandssignale S_P, S_R, S_M beschriebenen Zustand des Verbrennungsmotors 1 wird mittels des Ventils 14 das Kraftstoff-Luft-Gemisch 9 erzeugt. Dazu generiert die Energieversorgungsschaltung 28 mittels Pulsweitenmodulation (PWM) ein in 4 gezeigtes Energieversorgungssignal U_PWM basierend auf einem Pulssteuersignal S_PWM, das vom Mikroprozessor 27 ausgegeben wird. Das gepulste Energieversorgungssignal U_PWM wird innerhalb aktiver Pulsphasen P_a, während derer das Ventil 14 das Kraftstoff-Luft-Gemisch 9 bereitstellen soll, mit einer bestimmten Pulsbreite Δt₍₊₎ der einzelnen Spannungs- oder PWM-Pulse des Energieversorgungssignals U_PWM erzeugt.
• Die in 4 veranschaulichte Pulsbreite Δt₍₊₎ ist dabei derart eingestellt, das aus dem gepulsten Energieversorgungssignal U_PWM ein zur Betätigung des Ventils 14 ausreichend hoher Ventilstroms I_V (1) resultiert, der eine vorgegebenen Ansprechschwelle des Ventil 14 überschreitet. An die aktiven Pulsphasen P_a schließen sich inaktive (passive) Pulshasen P_i an, wobei das Verhältnis (Tastgrad) der aktiven Pulsphasen P_a zu den inaktiven Pulshasen P_i gemäß der Beziehung P_a/(P_a + P_i) das mittels des Ventils 14 bereitgestellte Gemisch 9 aus Kraftstoff K und Luft L steuert. Dieser vergleichseise groben Pulsweitenmodulation (PWM) mit den aktiven und inaktiven Pulshasen P_a bzw. P_i ist die vergleichseise feine Pulsweitenmodulation (PWM) mit den Pulsbreiten Δt₍₊₎ unterlagert.
• Auch während der inaktiven Pulshasen P_i werden Spannungspulse erzeugt, die jedoch derart energiearm sind, dass die Ansprechschwelle des Ventils 14 unterschritten, also nicht erreicht wird. Hierzu ist die Pulsbreite Δt_(–) der generierten Spannungs- oder PWM-Pulse des Energieversorgungssignals U_PWM während der inaktiven Pulsphasen P_i geringer (schmaler) als die Pulsbreite Δt₍₊₎ der Spannungs- bzw. PWM-Pulse während der aktiven Pulsphasen P_a. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Pulshöhe und/oder der Tastgrad (duty cycle) des Signals U_PWM während der inaktiven Pulsphasen P_i derart eingestellt werden, dass die zur Betätigung des Ventils 14 notwendige Energie nicht ausreicht, d. h. kein ausreichend hoher Ventilstrom (Aktorstrom) erzeugt wird.
• 3 zeigt die Energieversorgungsschaltung 28 der Motorsteuerung 2 mit verschalteten elektronischen Bauelementen zur Datenübertragung, ein analog mit verschalteten elektronischen Bauelemente zur Datenübertragung versehenes externes Gerät 31, sowie das Ventil 14 in einem Ersatzschaltbild mit einer Reihenschaltung aus einem Widerstand R_V und einer Induktivität L_V.
• Zur Energieversorgung des Ventils 14 wird der als Spannungsquelle wirkende Energiespeicher 26 über einen mittels des Pulssteuersignals S_PWM vom Mikrocontroller 27 angesteuerten Pulsweitenmodulationsschalter (PWM-Schalter) S1 an das Ventil 14 gelegt, so dass dieses mit den in 4 und 5 gezeigten positiven Spannungspulsen U₍₊₎ (positive PWM-Pulsfolge) mit der durch den PWM-Schalter S1 vorbestimmten Pulsbreite Δt₍₊₎ während der aktiven Pulsphasen P_a und mit der vergleichsweise geringen Pulsbreite Δt_(–) während der inaktiven Pulsphasen P_i beaufschlagt wird. Die Spannungspulse U₍₊₎ verursachen den Ventilstrom I_V, der die Induktivität L_V des Ventils 14 mit einem magnetischen Feld auflädt. Der im Zuge der inaktiven Pulsphasen P_i verursachte Strom ist zu gering, um das Ventil 14 zu betätigen.
• Wird der PWM-Schalter S1 geöffnet und demzufolge ein Spannungspuls U₍₊₎ beendet, so baut die Induktivität L_V das gespeicherte magnetische Feld ab und die Induktivität L_V erzeugt eine negative Spannung mit der Folge negativer Spannungspulse U_(–) in den Öffnungsphasen des PWM-Schalters S1 des Energieversorgungssignals U_PWM, U_mod.
• Die Energieversorgungsschaltung 28 weist eine Freilaufdiode D1 auf, an welche eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren Schalter S2 und einer zur Freilaufdiode D1 antiseriellen Durchbruchdioden D2 in Reihe geschaltet ist. Der Schalter S2 ist durch einen ansteuerbaren elektronischen Halbleiterschalter, beispielsweise einen bipolaren Transistor oder MOSFET, realisiert. Die entsprechend verschalteten elektronischen Bauelemente D1, D2 bilden zusammen mit dem ansteuerbaren Schalter S2 eine erste, interne Modulationsschaltung M₁.
• Analog weist das externe Gerät 31 eine Reihenschaltung aus einer Freilaufdiode D3 und einer hierzu antiseriellen Durchbruchdiode D4 auf, der ein ansteuerbarer Schalter S4 parallel geschaltet ist.
• Da eine Freilaufdiode eine charakteristische Übertragungsfunktion besitzt, die beispielsweise anhand der Durchlassspannung erkennbar ist, kann die Freilaufdiode D1, D3 als Informationsübertragungselement für eine einzelne Informationseinheit dienen. Die Durchbruchdiode D2, D4 ist beispielsweise eine Zener-Diode, die in Sperrrichtung ab einer bestimmten Durchbruchspannung leitet. Die Durchbruchspannung sollte dabei zweckmäßigerweise kleiner sein, als die vom System, insbesondere von der Motorsteuerung 2, maximale erzeugbare Spannung.
• Der motorsteuerungsinterne Schalter S2 wird mittels des Mikrocontrollers 27 über ein Ausgangsdatensignal S_AD (2) angesteuert. Analog kann der Schalter S4 des externen Gerätes 31 über ein Datensignal angesteuert werden. Die Datenübertragungsrate, d. h. die Anzahl der Symbole, Informationseinheiten oder Bits zwischen dem Mikrocontroller 27 und dem Steueranschluss 16 der Motorsteuerung 2 ist vom Schaltzustand des Schalter S2 abhängig, der mittels des Datensignal S_AD angesteuert wird.
• Dem Ventil 14 ist eine weitere (externe) Modulationsschaltung M₂ parallel geschaltet. Diese ist aus einer Reihenschaltung zweier elektronischer Bauelemente in Form einer Durchbruchdiode D5 und einer Freilaufdiode D6 sowie dem manuelle betätigbaren Schalter 19 (1) gebildet, der in 3 mit S3 bezeichnet ist. Mittels der weiteren Modulationsschaltung M₂ können je nach Schalterstellung des mechanischen Schalters S3 bestimmte Spannungsniveaus oder -werte und somit Dateninformationen in das modulierte gepulste Energieversorgungssignal U_mod eingebracht werden.
• Ein solches moduliertes gepulstes Energieversorgungssignal U_mod ist in 5 veranschaulicht. In 5 ist analog zu 4 in einem Spannungs-Zeit-Diagramm die Impulsspannung U des modulierten gepulsten Energieversorgungssignals U_PWM über die Zeit t aufgetragen, während in 4 die Impulsspannung U des unmodulierten gepulsten Energieversorgungssignals U_PWM über die Zeit t aufgetragen ist.
• Gemäß 5 sind in das gepulste modulierte Energieversorgungssignal U_mod nachfolgend auch als Freilaufpulse bezeichnete negative Spannungspulse U_(–) sowohl während der aktiven Pulsphasen P_a als auch während der inaktiven Pulsphasen P_i als zu übertragende Daten des Mikrocontrollers 27 einmoduliert. Auch können in die negativen Spannungspulse U_(–) lediglich während der aktiven Pulsphasen P_a oder während der inaktiven Pulsphasen P_i zu übertragende Daten des Mikrocontrollers 27 einmoduliert sein.
• Ist der Schalter S2 (oder S4) geschlossen, so wird eine Dateninformation (Symbol, Informationseinheit) in Form eines Spannungswertes, -niveaus oder -pegels U₁, welcher von der Freilaufdiode D1 (bzw. D3) bestimmt ist, an den Steueranschluss 16 übertragen. Der Schaltzustand des Schalters S3 ist hierbei nicht relevant.
• Ist der Schalter S2 (und S4) geöffnet, während der Schalter S3 geschlossen ist, was in 5 mit S3_on veranschaulicht ist, so wird eine Dateninformation (Symbol, Informationseinheit) in Form eines Spannungswertes, -niveaus bzw. -pegels U₂, welcher von den Dioden D5 und D6 bestimmt ist, an den Steueranschluss 16 übertragen.
• Sind die Schalter S2 bzw. S4 und S3 geöffnet, was in 5 mit S3_off veranschaulicht ist, so wird eine Dateninformation (Symbol, Informationseinheit) in Form eines Spannungswertes, -niveaus bzw. -pegels U₃, welcher von den Dioden D1 und D2 bzw. D3, D4 bestimmt ist, an den Steueranschluss 16 übertragen. Infolge der Ansteuerung des Schalters S2 werden somit die negativen Spannungspulse U_(–) des Energieversorgungssignals U_PVM zum gepulsten modulierten Energieversorgungssignal U_mod amplitudenmoduliert.
• Die negativen Spannungspulse (Freilaufpulse) U_(–) sind im Ausführungsbeispiel mit drei Spannungswerten, -niveaus oder -pegeln U₁ bis U₃ moduliert. Der unterste oder tiefste Spannungswert U₃ der negativen Spannungspulse U_(–) ist bestimmt durch die Dioden D1, D2 oder D3, D4 der externen Modulationsschaltung M₂, wenn der Schalter S3 offen ist. Die Dioden D5 und D6 werden mittels des mechanischen Schalters 19 (S3) mit Masse (Ground) G verbunden. Anhand der erfassten Informationen U₂ oder U₃ kann zudem die Schließstellung (S3_on) bzw. die Offenstellung des Schalters S3 (S3_off) erkannt und somit bestimmt werden.
• Die in die negativen Spannungspulse U_(–) modulierten Spannungswerte U₁ bis U₃ werden als entsprechende Dateninformationen U_n (1) am Steueranschluss 16 bereitgestellt und sind dort beispielsweise vom externen Gerät 31 abgreifbar. Analog vom externen Gerät 31 generierte Dateninformationen U_n (n = 1, 2, 3) können am Steueranschluss 16 bereitgestellt und vom Mikroprozessor 27 der Motorsteuerung 2 verarbeitet werden. Diese bidirektionale Datenübertragung ist in 1 durch den Doppelpfeil D in der Verbindung zwischen dem Steueranschluss 16 und dem Ventil 14 veranschaulicht.
• Ist ohne einen solchen mechanischen Schalter 19 (S3) lediglich die interne Modulationsschaltung M₁ vorgesehen, so erfolgt die Modulation der negativen Spannungspulse U_(–) mit dem motorsteuerungsintern generierten Spannungspegel U₁. Der erfasste Spannungswert U₁ zeigt in diesem Fall an, dass der Schalter S2 geschlossen ist.
• Das gepulste modulierte Energieerzeugungssignal U_mod wird in der Energieversorgungsschaltung 28 erfasst und als Dateninformation U_n am Steueranschluss 16 bereitgestellt, um beispielsweise von einem im externen Gerät 31 vorhandenen Mikrocontroller ausgewertet zu werden. Dieser kann dann die Dateninformation U_n aus den modulierten negativen Spannungspulsen U_(–) decodieren.
• Bezugszeichenliste

1

Verbrennungsmotor

2

Motorsteuerung

3

Kurbelkammer

4

Kurbelwelle

5

Pleuelstange

6

Kolben

7

Brennkammer

8

Einlass

9

Kraftstoff-Luft-Gemisch

10

Auslass

11

Abgas

12

Spülkanal

13

Zündkerze

14

Aktor/Ventil

15

Zündkerzenanschluss

16

Steueranschluss

17

Anschluss

18

Energieübergabestelle

19

mechanischer Schalter

20

Ventilleitung

21

Polrad

22

Weicheisen-/Ferritkern

23

Ladespule

24

Zündspule

25

Hilfsspule

26

Energiespeicher

27

Mikroprozessor

28

Energieversorgungsschaltung

29

Leistungsschaltung

30

Signalaufbereitungsschaltung

31

externes Gerät

D1

Freilaufdiode

D2

Durchbruchdiode

D3

Freilaufdiode

D4

Durchbruchdiode

D5

Durchbruchdiode

D6

Freilaufdiode

G

Ground/Masse

I_V

Ventilstrom

K

Kraftstoff

L_V

Induktivität

N

Dauermagnet (Nordpol)

M₁

interne Modulationsschaltung

M₂

externe Modulationsschaltung

P_a

aktive Pulsphase

P_i

inaktive Pulsphase

R_V

Widerstand

S

Dauermagnet (Südpol)

S_AD

Ausgangsdatensignal

S_ED

Eingangsdatensignal

S_L

Leistungssignal

S_M

Motorsignal

S_P

Positionssignal

S_PWM

Pulssteuersignal

S_R

Richtungssignal

S1

PWM-Schalter

S2

ansteuerbarer Schalter

S3

mechanischer Schalter 19

S4

ansteuerbarer Schalter

U_H

Hilfsspannung

U_L

Ladespannung

U_mod

moduliertes Signal

U_PWM

Energieversorgungssignal

U_S

Speicherspannung

U_V

Versorgungsspannung

U_V1

erste Versorgungsspannung

U_V2

zweite Versorgungsspannung

U_Z

Zündspannung

U_n

Spannungswert/Dateninformation

U_(–)

negativer Spannungspuls

U₍₊₎

positiver Spannungspuls

Δt₍₊₎

Pulsbreite (aktive Pulsphase)

Δt_(–)

Pulsbreite (inaktive Pulsphase)

Claims (11)

1. Verfahren zur Übertragung von Daten einer Motorsteuerung (2) eines Verbrennungsmotors (1), insbesondere eines handgeführten Arbeitsgerätes, mittels eines gepulsten Energieversorgungssignals (U_PWM, U_mod) mit aktiven Pulsphasen (P_a) und mit inaktiven Pulsphasen (P_i), – wobei während der aktiven Pulsphasen (P_a) und/oder während der inaktiven Pulsphasen (P_i) positive Spannungspulse (U₍₊₎) und negative Spannungspulse (U_(–)) erzeugt werden, und – wobei während der aktiven Pulsphasen (P_a) und/oder während der inaktiven Pulsphasen (P_i) die negativen Spannungspulse (U_(–)) moduliert und die modulierten negativen Spannungspulse (U_(–)) als Dateninformation (U_n) an einem Steueranschluss (16) der Motorsteuerung (2) bereitgestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der aktiven Pulsphasen (P_a) und/oder während der inaktiven Pulsphasen (P_i) eine Anzahl von dem Steueranschluss (16) zugeordneten elektronischen Bauelemente (D1 bis D6) zum Modulieren der Dateninformationen (U_n) zu- oder abgeschaltet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der inaktiven Pulsphasen (P_i) eine Anzahl von Spannungspulsen (U₍₊₎) mit einer Pulsbreite (Δt₍_₎), Pulshöhe und/oder einem Puls-Pausen-Verhältnis kleiner als die Pulsbreite (Δt₍₊₎), Pulshöhe oder das Puls-Pausen-Verhältnis während der aktiven Pulsphasen (P_a) derart erzeugt werden, dass deren Energie oder resultierende Stromstärke einen vorgebbaren Schwellwert, insbesondere eine Ansprechschwelle eines mit dem Energieversorgungssignal (U_PWM, U_mod) beaufschlagten Aktors (14), unterschreitet.
4. Motorsteuerung (2) eines Verbrennungsmotors (1), insbesondere eines handgeführten Arbeitsgerätes, – mit einem Steueranschluss (16), an dem ein gepulstes Energieversorgungssignal (U_PWM, U_mod) mit aktiven Pulsphasen (P_a) und mit inaktiven Pulsphasen (P_i) abgreifbar ist, – mit einer Energieversorgungsschaltung (28), die während der aktiven Pulsphasen (P_a) und/oder während der inaktiven Pulsphasen (P_i) positive Spannungspulse (U₍₊₎) und negative Spannungspulse (U_(–)) erzeugt, und – mit Mitteln (S2 bis S4, D1 bis D6) zur Modulation der negativen Spannungspulse (U_(–)), wobei die modulierten negativen Spannungspulse als Dateninformation (U_n) an der Schnittstelle (16) bereitgestellt und/oder abgreifbar sind.
5. Motorsteuerung (2) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine interne Modulationsschaltung (M₁) mit mindestens einem ansteuerbaren Schalter (S2) zum zu- und abschalten eines elektronischen Bauelements (D2).
6. Motorsteuerung (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Modulationsschaltung (M₁) aus einer Reihenschaltung mit einem ersten elektronischen Bauelement (D1), insbesondere einer Freilaufdiode, und mit einem zweiten elektronischen Bauelement (D2), insbesondere einer zur Freilaufdiode antiseriellen Durchbruchdiode, gebildet ist, wobei der ansteuerbare Schalter (S2) dem zweiten elektronischen Bauelement (D2) parallel geschaltet ist.
7. Motorsteuerung (2) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (S2) derart ansteuerbar ist, dass die negativen Spannungspulse (U_(–)) bei kurzgeschlossenem elektronischen Bauelement (D2) einen ersten negativen Spannungswert (U₁) als Dateninformation annehmen.
8. Motorsteuerung (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch einen Mikroprozessor (27), der ein Steuersignal (S_AD) zur Ansteuerung des Schalters (S2) erzeugt.
9. Motorsteuerung (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch eine dem Steueranschluss (16) zugeordnete externe Modulationsschaltung (M₂) mit mindestens einem elektronischen Bauelement (D5, D6) und mit einem manuell betätigbaren externen Schalter (19, S3).
10. Motorsteuerung (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, – dass die negativen Spannungspulse (U_(–)) einen zweiten negativen Spannungswert (U₂) als Dateninformation annehmen, wenn der ansteuerbare Schalter (S2) geöffnet und der manuell betätigbare externe Schalter (19, S3) geschlossen ist, und – dass die negativen Spannungspulse (U_(–)) einen dritten negativen Spannungswert (U₃) als Dateninformation annehmen, wenn der ansteuerbare Schalter (S2) und der manuell betätigbare externe Schalter (19, S3) geöffnet sind.
11. Motorsteuerung (2) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Modulationsschaltung (M₂) aus einer Reihenschaltung zweier elektronischer Bauelemente (D5, D6), insbesondere einer Freilaufdiode (D6) und einer Durchbruchdiode (D5), und dem externen Schalter (19, S3) gebildet ist.

Images