DE3924353A1 - Steuerungssystem fuer den vergaser einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerungssystem für den Verga­ ser einer Brennkraftmaschine, insbesondere für Rasenmäher, Motorsägen oder Trennschleifer, mit einer am Eingang des Vergaser-Ansaugrohrs angeordneten Vordrosselklappe, die über einen Stellantrieb automatisch betätigbar ist.

Solche Vordrosselklappen sind mit bekannten Starterklappen vergleichbar, die den Eintritt der Hauptluft in den Verga­ ser verschließen, um in der Startphase eines kalten Motors im Vergaser ein besonders fettes Gemisch herzustellen. Beim Rückgang des Kolbens im Zylinder des Motors entsteht dann nämlich im Vergaser eine sehr starke Pumpwirkung, so daß durch den hohen Unterdruck sowohl aus dem Mischrohr als auch aus dem Leerlaufsystem des Vergasers reichlich Kraft­ stoff abgesaugt wird. Solche Starter- bzw. Vordrosselklap­ pen sind entweder von Hand (mit dem "CHOKE") oder automa­ tisch (Startautomatik) betätigbar.

Derzeit ist es bekannt, die maximale Motordrehzahl durch Anreicherung des Kraftstoffes im Kraftstoff-Luftgemisch einzustellen. Allerdings ist die Einstellung der Höchst­ drehzahl durch Gemischanfettung verhältnismäßig ungenau, sie wird deshalb auf ca. 14000 U/min gelegt, selbst wenn der Motor seine maximale Leistung bei ca. 9000 U/min hat. Bei 14000 U/min kann eine Drehzahlbegrenzung durch Verrin­ gerung der Kraftstoffzufuhr leicht zur Zerstörung des Motors führen. Ein weiterer unerwünschter Gesichtspunkt bekannter Vergaser-Betriebsweisen besteht darin, daß bei Höchstdrehzahl - die ja durch Anreicherung des Kraftstoffes im Kraftstoffluftgeschmisch erreicht wird - sehr viel unverbrannter Kraftstoff ausgestoßen wird; die dadurch bedingte ungünstige Auswirkung auf den Wirkungsgrad liegt auf der Hand. Zudem ist damit noch ein außerordentlicher Schadstoffausstoß und eine damit einhergehende Umweltbelastung verbunden.

Hieraus ergibt sich ein beachtliches Bedürfnis, eine Ver­ gasersteuerung so auszubilden, daß der damit betriebenen Brennkraftmaschine für jede Drehzahl ein optimales Kraft­ stoff-Luft-Gemisch zur Verfügung steht, bei dem die Maschine die optimale Leistung und gleichzeitig einen mini­ malen Schadstoffausstoß ausführt. Zur Lösung dieses Pro­ blems unter Vermeidung der obengenannten Nachteile wird bei einem Steuerungssystem der eingangs genannten Art erfin­ dungsgemäß vorgeschlagen, daß der Stellantrieb zur Steue­ rung durch einen Pulsweitenmodulator ausgebildet ist, bei dem die Pulsweite oder der Modulationsgrad von einem spei­ cherprogrammierbaren Kennfeld beeinflußt ist, welches Si­ gnale für vorspezifizierte Luft-/Kraftstoffgemische abhän­ gig von der Maschinendrehzahl an den Pulsweitenmodulator ausgibt.

Hierdurch ist es möglich, ein Vergaserverfahren ablaufen zu lassen, mittels welchem die Brennkraftmaschine auf die Drehzahl einreguliert werden kann, bei der sie die größte Leistung bringt und einen minimalen Schadstoffausstoß be­ sitzt. Die Brennkraftmaschine besitzt für jede Drehzahl ein hinsichtlich Leistung und Schadstoffausstoß optimiertes Luft-/Kraftstoffgemisch, welches vorab spezifisch für jede Maschine ermittelt und dann mit entsprechenden, zu Kenn­ feldern organisierten Daten (-tabellen) in programmierbare Speichereinrichtungen abgelegt werden kann. Mit diesen ist der Pulsweitenmodulator gekoppelt, der ein Pulssignal mit variierbarem Tastverhältnis beispielsweise an einen analo­ gen Stellmotor ausgibt. Dieser Stellmotor bildet dann die Betätigungsautomatik zur Verstellung der Vordrosselklappe im Vergaser. Durch diese Anordnung bzw. Vergasersteuerung kann die Maschine auf die Drehzahl einreguliert werden, bei der sie die optimale Leistung bei minimalem Schadstoffaus­ stoß bringt. Eine Erhöhung der Drehzahl kann durch Verringerung der Kraftstoffzufuhr und durch elektronische Zündfunkenunterdrückung und Zündzeitpunktveränderung - vgl. die ältere DE-Patentanmeldung P 38 17 471.5 - verhindert werden. Vor allem bei einer Realisierung des Stellantriebs als analoger Stellmotor ergibt sich eine besonders exakte Vergasersteuerung für z. B. 9000 UpM, wobei die Drehzahl sehr konstant bleibt und eine hohe Leistungsausbeute erzielt wird.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird die Stromversor­ gung eines separaten Magnetgenerators, wie er bereits für Griffheizungen bei Sägen eingesetzt wird, auch für den Stellantrieb der Vordrosselklappe verwendet, wobei sie gleichzeitig der Pulsweitenmodulation unterworfen wird. In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil in die Versor­ gungsleitung zum Stellantrieb ein Schaltelement eingefügt, welches je nach Pulsweite oder Modulationsgrad vom Pulswei­ tenmodulator zum Öffnen und Schließen angesteuert wird. Diese Erfindungsvariante zeichnet sich durch besonders ein­ fachen und kostengünstigen Schaltungsaufbau aus.

Nach einer anderen Erfindungsvariante wird die Pulsweite oder der Modulationsgrad des Pulsweitenmodulators zusätz­ lich von einem Motortemperaturfühler, einer Lambda-Sonde und/oder einem dem Fachmann an sich bekannten Klopfsensor beeinflußt. Anhand dieser zusätzlich angegebenen Meßwerte kann der Pulsweitenmodulator den Betriebszustand der Maschine besonders exakt erkennen, das speicherprogrammier­ bare Kennfeld entsprechend abfragen und infolgedessen die Vordrosselklappe über den Stellantrieb optimal einstellen. Es liegt im Rahmen der Erfindung, den Pulsweitenmodulator und/oder das damit gekoppelte Kennfeld mittels eines maschinenspezifisch/kundenspezifisch integrierten Schalt­ kreises oder programmierten Mikrorechners auszuführen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Aus­ führungsbeispiels der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Darin ist das erfindungsgemäße Vergaser-Steuerungssystem schematisch durch ein Geräte-/Blockschaltbild dargestellt.

Bei einem Vergaser 1, der üblicherweise mit einem Leerlauf­ system 2, einem Mischrohr 3, einem Leerlaufgemischkanal 4 und einer Hauptdrosselklappe 5 versehen ist, ist an seinem Luftstromeingang 6 mit der Strömungsrichtung 7 nach dem Luftfilter 8 eine Vordrosselklappe 9 angeordnet. Diese ist um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende, mittige Achse um ca. 90° verstellbar, wodurch in an sich bekannter Weise eine spezifische Gemischanfettung herbeigeführt wer­ den kann.

Das Verschwenken der Vordrosselklappe 9 wird durch einen Stellantrieb 10 bewirkt, wie durch die Wirkungsverbindungs­ linie 11 schematisch angedeutet. Der Stellantrieb kann z. B. als elektronischer Schrittmotor oder linearer Stellmotor ausgeführt sein. Dessen Steuerungseingang 12 ist über ein Schaltglied 13, z. B. Transistor oder Thyristor, mit einer Gleichstrom-Versorgung 14 verbunden, die z. B. aus einem mit der (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine gekoppel­ ten Gleich- oder Wechselspannungsgenerator mit Gleichrich­ ter gespeist sein kann. Das Schaltglied wird zum Öffnen und Schließen von einem Steuerungsmodul 15 über dessen Ausgang 16 angesteuert. Der Steuerungsmodul 15 beinhaltet als Funk­ tionseinheit einen Pulsweitenmodulator (PWM) 17, der je nach Modulationsgrad bzw. Tastverhältnis m das Schaltglied 13 für eine bestimmte Zeitdauer t öffnet bzw. schließt. Diese Zeitdauer ist abhängig vom durch den Pulsweitenmodu­ lator bestimmten Modulationsgrad m, so daß sich für den Steuerungseingang 12 des Stellantriebs (StA) 10 eine Impulsfolge 18 etwa der gezeichneten Art mit variabler Pulsbreite bzw. -dauer t ergibt. Zur Bestimmung des Modula­ tionsgrads bzw. des Tastverhältnisses der Pulsfolge 18 steuert der Pulsbreitenmodulator 17 einen in dem Steue­ rungsmodul 15 integrierten Speicherbaustein 19 an, der von der Drehzahl n abhängige Kennfelder enthält. Diese sind vorab motorspezifisch ermittelt, so daß der Speicherbau­ stein 19 zweckmäßig als elektrisch programmierbarer Fest­ wertspeicher realsiert sein kann.

Des weiteren benötigt der Steuerungsmodul 15 als Eingangspa­ rameter die Drehzahl n, die gemäß Darstellung - von einem rotierenden Zahnsegmentrad 20 einem rotierenden Magnetpol­ rad o. ä. abgeleitet - unmittelbar dem Speicherbaustein 19 mit den drehzahlabhängigen Kennfeldern zugeführt werden kann. Aufgrund dessen kann der Pulsweitenmodulator 17 aus dem Speicherbaustein 19 für jede Drehzahl n spezifische Modulationsgrade bzw. Tastverhältnisse m (n) auslesen und dementsprechend mit bestimmter Zeitdauer t (m) das Schalt­ glied 13 schließen bzw. öffnen.

Die Erfindung ist nicht hierauf allein beschränkt. So kön­ nen ferner Motortemperaturfühler 21, Klopfsensoren 22 und Lambda (λ)-Sonden 23, letztere mit dem Ansaugrohr 24 des Vergasers gekoppelt, vorgesehen sein. Deren Meßausgänge 21a, 22a, 23a können entweder die Funktion des Pulsweiten­ modulators oder - wie in der Zeichnung gestrichelt angedeu­ tet - das Kennwert-Ausgabeverhalten des Speicherbausteins 19 zum Pulsweitenmodulator 17 zusätzlich beeinflussen. Der Steuerungsmodul läßt sich vorteilhaft entweder als kunden­ spezifischer Schaltkreis oder als Mikrorechner mit motor­ spezifischem Programm realisieren.

Solchenfalls kann ein Mikrorechner, der bereits die Zündung des Motors steuert (vgl. z. B. die ältere Patentanmeldung P 39 14 026.1), für das vorliegende Steuerungssystem mit ver­ wendet werden. Dabei wird in der Regel nicht voll ausge­ lastete Rechenkapazität kosteneffektiv genutzt. Dieser Gedanke läßt sich noch insofern ausbauen, als Zündungs- und Vergasersteuerung in ihren Funktionen unter ein übergrei­ fendes Motor-Management kombiniert werden.

Claims (8)

1. Steuerungssystem für den Vergaser einer Brennkraft­ maschine, insbesondere für Rasenmäher, Motorsägen oder Trennschleifer, mit einer am Eingang des Vergaser-Ansaugrohrs angeordneten Vordrosselklappe, die über einen Stellantrieb automatisch betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (10) zur Steuerung durch einen Pulsweitenmodulator (17) ausgebildet ist, bei dem die Pulsweite (t) oder der Modulationsgrad (m) von einem speicherprogrammierbaren Kennfeld (19) beeinflußt ist, welches Signale (m(n)) für vorspezifizierte Luft-/Kraftstoffgemische abhängig von der Maschinen­ drehzahl (n) an den Pulsweitenmodulator (17) ausgibt.

2. Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es den Ausgang eines mit dem Stell­ antrieb (10) verbundenen Stromversorgungsteils (14) einer Pulsweitenmodulation unterwirft.

3. Steuerungssystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein in einer Gleichstrom-Versorgungsleitung (12) zum Stellantrieb eingefügtes Schaltelement (13), welches je nach Pulsweite (t) oder Modulationsgrad (m) vom Pulsweitenmodulator (17) geöffnet und ge­ schlossen wird.

4. Steuerungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsweite (t) oder der Modulationsgrad (m) zusätzlich von einem Motor­ temperaturfühler (21), einer Lambda-Sonde (23) und/oder einem Klopfsensor (22) beeinflußt ist.

5. Steuerungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsweitenmodulator (17) und/oder das Kennfeld (19) mittels eines maschi­ nenspezifisch integrierten Schaltkreises oder pro­ grammierten Mikrorechners realisiert ist.

6. Steuerungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (10) als analoger Stellmotor ausgeführt ist.

7. Steuerungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die bauliche und/oder funktions­ mäßige Integration mit einem Zündsteuerungssystem.

8. Steuerungssystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Mikrorechner, in dem die Funktionen sowohl des Vergaser- als auch des Zündsteuerungs­ systems implementiert und vorzugsweise miteinander durch einen alle Funktionen koordinierenden Motor- Management-Modul gekoppelt sind.