[0001] Die Erfindung betrifft ein Steuerungssystem für den Vergaser einer Brennkraftmaschine,
insbesondere für Rasenmäher, Motorsägen oder Trennschleifer, mit einer am Eingang
des Vergaser-Ansaugrohrs angeordneten Vordrosselklappe, die über einen Stellantrieb
automatisch betätigbar ist.
[0002] Solche Vordrosselklappen sind mit bekannten Starterklappen vergleichbar, die den
Eintritt der Hauptluft in den Vergaser 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 Kraftstoff abgesaugt wird. Solche Starter- bzw. Vordrosselklappen
sind entweder von Hand (mit dem "CHOKE") oder automatisch (Startautomatik) betätigbar.
[0003] Derzeit ist es bekannt, die maximale Motordrehzahl durch Anreicherung des Kraftstoffes
im Kraftstoff-Luftgemisch einzustellen. Allerdings ist die Einstellung der Höchstdrehzahl
durch Gemischanfettung verhältnismäßig ungenau, sie wird deshalb auf ca. 14 000 U/min
gelegt, selbst wenn der Motor seine maximale Leistung bei ca. 9 000 U/min hat. Bei
14 000 U/min kann eine Drehzahlbegrenzung durch Verringerung 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.
[0004] Hieraus ergibt sich ein beachtliches Bedürfnis, eine Vergasersteuerung so auszubilden,
daß der damit betriebenen Brennkraftmaschine für jede Drehzahl ein optimales Kraftstoff-Luft-Gemisch
zur Verfügung steht, bei dem die Maschine die optimale Leistung und gleichzeitig einen
minimalen Schadstoffausstoß ausführt. Zur Lösung dieses Problems unter Vermeidung
der obengenannten Nachteile wird bei einem Steuerungssystem der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Stellantrieb zur Steuerung durch einen
Pulsweitenmodulator ausgebildet ist, bei dem die Pulsweite oder der Modulationsgrad
von einem speicherprogrammierbaren Kennfeld beeinflußt ist, welches Signale für
vorspezifizierte Luft-/Kraftstoffgemische abhängig von der Maschinendrehzahl an den
Pulsweitenmodulator ausgibt.
[0005] 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 besitzt. 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
analogen 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 Schadstoffausstoß 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. 9 000 UpM, wobei die Drehzahl sehr konstant
bleibt und eine hohe Leistungsausbeute erzielt wird.
[0006] In weiterer Ausbildung der Erfindung wird die Stromversorgung 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 Versorgungsleitung zum
Stellantrieb ein Schaltelement eingefügt, welches je nach Pulsweite oder Modulationsgrad
vom Pulsweitenmodulator zum Öffnen und Schließen angesteuert wird. Diese Erfindungsvariante
zeichnet sich durch besonders einfachen und kostengünstigen Schaltungsaufbau aus.
[0007] Nach einer anderen Erfindungsvariante wird die Pulsweite oder der Modulationsgrad
des Pulsweitenmodulators zusätzlich 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 speicherprogrammierbare 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 Schaltkreises
oder programmierten Mikrorechners auszuführen.
[0008] Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie anhand der Zeichnung.
Darin ist das erfindungsgemäße Vergaser-Steuerungssystem schematisch durch ein Geräte-/Blockschaltbild
dargestellt.
[0009] Bei einem Vergaser 1, der üblicherweise mit einem Leerlaufsystem 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 werden kann.
[0010] 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 gekoppelten Gleich- oder Wechselspannungsgenerator
mit Gleichrichter gespeist sein kann. Das Schaltglied wird zum Öffnen und Schließen
von einem Steuerungsmodul 15 über dessen Ausgang 16 angesteuert. Der Steuerungsmodul
15 beinhaltet als Funktionseinheit 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 Pulsweitenmodulator
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 Modulationsgrads bzw. des Tastverhältnisses der
Pulsfolge 18 steuert der Pulsbreitenmodulator 17 einen in dem Steuerungsmodul 15
integrierten Speicherbaustein 19 an, der von der Drehzahl n abhängige Kennfelder enthält.
Diese sind vorab motorspezifisch ermittelt, so daß der Speicherbaustein 19 zweckmäßig
als elektrisch programmierbarer Festwertspeicher realsiert sein kann.
[0011] Desweiteren benötigt der Steuerungsmodul 15 als Eingangsparameter die Drehzahl n,
die gemäß Darstellung - von einem rotierenden Zahnsegmentrad 20 einem rotierenden
Magnetpolrad 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 Schaltglied 13 schließen bzw. öffnen.
[0012] Die Erfindung ist nicht hierauf allein beschränkt. So können 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 Pulsweitenmodulators oder - wie in der Zeichnung gestrichelt angedeutet
- das Kennwert-Ausgabeverhalten des Speicherbausteins 19 zum Pulsweitenmodulator 17
zusätzlich beeinflussen. Der Steuerungsmodul läßt sich vorteilhaft entweder als kundenspezifischer
Schaltkreis oder als Mikrorechner mit motorspezifischem Programm realisieren.
[0013] 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 verwendet werden. Dabei wird in der Regel nicht voll ausgelastete Rechenkapazität
kosteneffektiv genutzt. Dieser Gedanke läßt sich noch insofern ausbauen, als Zündungs-
und Vergasersteuerung in ihren Funktionen unter ein übergreifendes Motor-Management
kombiniert werden.
1. Steuerungssystem für den Vergaser einer Brennkraftmaschine, 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 Maschinendrehzahl (n)
an den Pulsweitenmodulator (17) ausgibt.
2. Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es den Ausgang eines
mit dem Stellantrieb (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 geschlossen wird.
4. Steuerungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Pulsweite (t) oder der Modulationsgrad (m) zusätzlich von einem Motortemperaturfühler
(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 maschinenspezifisch
integrierten Schaltkreises oder programmierten 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 funktionsmäßige Integration mit einem Zündsteuerungssystem.
8. Steuerungssystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Mikrorechner, in dem
die Funktionen sowohl des Vergaser- als auch des Zündsteuerungssystems implementiert
und vorzugsweise miteinander durch einen alle Funktionen koordinierenden Motor-Management-Modul
gekoppelt sind.