EP0411283A2 - Steuerungssystem für den Vergaser einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Steuerungssystem für den Vergaser einer Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0411283A2
EP0411283A2 EP90110950A EP90110950A EP0411283A2 EP 0411283 A2 EP0411283 A2 EP 0411283A2 EP 90110950 A EP90110950 A EP 90110950A EP 90110950 A EP90110950 A EP 90110950A EP 0411283 A2 EP0411283 A2 EP 0411283A2
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EP
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control system
pulse width
actuator
carburetor
modulation
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Werner Flügel
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Pruefrex Elektro Apparatebau GmbH
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Pruefrex Elektro Apparatebau GmbH
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M1/08—Carburettors with means for facilitating engine's starting or its idling below operational temperatures the means to facilitate starting or idling becoming operative or inoperative automatically
    • F02M1/10—Carburettors with means for facilitating engine's starting or its idling below operational temperatures the means to facilitate starting or idling becoming operative or inoperative automatically dependent on engine temperature, e.g. having thermostat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/0015—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for using exhaust gas sensors
    • F02D35/0046—Controlling fuel supply
    • F02D35/0053—Controlling fuel supply by means of a carburettor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/24—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means
    • F02D41/2406—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means using essentially read only memories
    • F02D41/2409—Addressing techniques specially adapted therefor
    • F02D41/2412—One-parameter addressing technique

Definitions

  • the invention relates to a control system for the carburetor of an internal combustion engine, in particular for lawn mowers, chainsaws or cut-off machines, with a throttle valve arranged at the input of the carburetor intake pipe, which can be actuated automatically via an actuator.
  • Such pre-throttle valves are comparable to known starter flaps, which block the entry of the main air into the carburetor in order to produce a particularly rich mixture in the carburetor in the starting phase of a cold engine.
  • Such starter or pre-throttle valves can either be operated manually (with the "CHOKE”) or automatically (automatic start).
  • the internal combustion engine has an air / fuel mixture that is optimized for performance and pollutant emissions for each speed, which is determined in advance specifically for each machine and then with the corresponding characteristic fields organized data (tables) can be stored in programmable memory devices.
  • the pulse width modulator is coupled to these and outputs a pulse signal with a variable pulse duty factor, for example to an analog servomotor. This servomotor then forms the automatic actuation system for adjusting the pre-throttle valve in the carburetor.
  • the machine can be adjusted to the speed at which it achieves optimal performance with minimal pollutant emissions.
  • An increase in engine speed can be achieved by reducing the fuel supply and by electronic spark suppression and changing the ignition timing - cf. the older DE patent application P 38 17 471.5 - can be prevented.
  • the actuator is implemented as an analog servomotor, there is a particularly precise carburetor control for e.g. B. 9 000 rpm, the speed remains very constant and a high power yield is achieved.
  • the power supply of a separate magnetic generator is also used for the actuator of the pre-throttle valve, wherein it is simultaneously subjected to pulse width modulation.
  • a switching element is advantageously inserted into the supply line to the actuator, which is controlled by the pulse width modulator for opening and closing depending on the pulse width or degree of modulation.
  • the pulse width or the degree of modulation of the pulse width modulator is additionally influenced by an engine temperature sensor, a lambda probe and / or a knock sensor known to the person skilled in the art.
  • the pulse width modulator can recognize the operating state of the machine particularly precisely, query the programmable map accordingly and consequently adjust the throttle valve optimally via the actuator. It is within the scope of the invention to implement the pulse width modulator and / or the characteristic map coupled to it by means of a machine-specific / customer-specific integrated circuit or programmed microcomputer.
  • a pre-throttle valve 9 is arranged at its air flow inlet 6 with the flow direction 7 after the air filter 8. This can be adjusted by approximately 90 ° about a central axis running perpendicular to the plane of the drawing, whereby a specific mixture enrichment can be brought about in a manner known per se.
  • the pivoting of the pre-throttle valve 9 is effected by an actuator 10, as by the operative connection line 11 indicated schematically.
  • the actuator can e.g. B. be designed as an electronic stepper motor or linear servomotor.
  • Whose control input 12 is via a switching element 13, for. B. transistor or thyristor, connected to a DC supply 14, the z. B. can be fed with a rectifier coupled to the (not shown) internal combustion engine DC or AC voltage generator.
  • the switching element is controlled for opening and closing by a control module 15 via its output 16.
  • the control module 15 contains, as a functional unit, a pulse width modulator (PWM) 17 which, depending on the degree of modulation or duty cycle m, opens or closes the switching element 13 for a specific period of time t. This time period is dependent on the degree of modulation m determined by the pulse width modulator, so that a pulse train 18 of the type shown with variable pulse width or duration t results for the control input 12 of the actuator (STA) 10.
  • PWM pulse width modulator
  • the pulse width modulator 17 controls a memory module 19 integrated in the control module 15, which contains characteristic maps dependent on the speed n. These are determined beforehand in a motor-specific manner, so that the memory module 19 can expediently be implemented as an electrically programmable read-only memory.
  • control module 15 requires the speed n as an input parameter, which, as shown - derived from a rotating toothed segment wheel 20, a rotating magnetic pole wheel or the like - is fed directly to the memory module 19 with the speed-dependent characteristic maps can. Because of this, the pulse width modulator 17 can read out specific modulation degrees or duty cycles m (n) for each speed n from the memory module 19 and accordingly close or open the switching element 13 with a specific time period t (m).
  • Engine temperature sensors 21, knock sensors 22 and lambda ( ⁇ ) probes 23, the latter coupled to the intake pipe 24 of the carburetor, can also be provided.
  • Their measuring outputs 21a, 22a, 23a can either influence the function of the pulse width modulator or - as indicated in dashed lines in the drawing - the characteristic value output behavior of the memory module 19 to the pulse width modulator 17.
  • the control module can advantageously be implemented either as a customer-specific circuit or as a microcomputer with a motor-specific program.
  • a microcomputer that already controls the ignition of the engine can also be used for the present control system.
  • underutilized computing capacity is used cost-effectively. This idea can be expanded to the extent that the functions of the ignition and carburetor controls are combined under one comprehensive engine management system.

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Abstract

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, wobei 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.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (8)

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.
EP19900110950 1989-07-22 1990-06-09 Control system for the carburettor of an internal combustion engine Withdrawn EP0411283A3 (en)

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