DE69019323T2

DE69019323T2 - Drehzahlbegrenzer für Innenbrennkraftmaschinen.

Info

Publication number: DE69019323T2
Application number: DE69019323T
Authority: DE
Inventors: Richard Allen Dykstra
Original assignee: Briggs and Stratton Corp
Current assignee: Briggs and Stratton Corp
Priority date: 1989-12-21
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2010-12-21
Also published as: EP0434418B1; CA2032190A1; DE69019323D1; EP0434418A1; JPH04121458A; US4977877A; CA2032190C

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehzahlbegrenzer für Verbrennungsmotoren, und spezieller betrifft sie Drehzahlbegrenzer für kleine Verbrennungsmotoren vom Typ, wie bei Rasenmähern, Schneefräsen, Generatoren und dergleichen verwendet.
Eine herkömmliche Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor enthält eine Primär- und eine Sekundärwicklung, die induktiv miteinander gekoppelt sind, eine Zündkerze, die zwischen die Anschlüsse der Sekundärwicklung geschaltet ist, und eine Steuerschaltereinrichtung zum Schließen eines Stromkreises, damit Strom in der Primärwicklung fließen kann, und zum Öffnen dieses Kreises zu einem Zeitpunkt, wenn die Zündkerze zünden soll. Bei Batteriezündsystemen ermöglicht es das Schließen des Kreises mit der Steuerschaltereinrichtung, daß Batteriestrom in der Primärwicklung fließt. Bei einem Magnetzündsystem wird in der Primärwicklung durch einen umlaufenden Magnet in Zusammenwirkung mit einem feststehenden ferromagnetischen Kern, um den die Primärwicklung und die Sekundärwicklung gewickelt sind, ein elektromagnetisches Feld induziert. Das Schließen der Steuerschaltereinrichtung schließt die Primärseite kurz, so daß Strom in ihr fließen kann.
In jedem Fall führt das Öffnen des Primärkreises zu einer plötzlichen Änderung des Feldflusses in der Sekundärwicklung, wodurch auf der Sekundärseite eine hohe Spannung induziert wird, die bewirkt, daß die Zündkerze zündet.
Die herkömmliche Steuerschaltereinrichtung beinhaltet typischerweise ein Paar Unterbrecherpunkte aus Hartmetall, die durch einen Mechanismus mit einem Nocken, der sich in seitlich abgestimmter Beziehung zum Motorzyklus dreht, betätigt werden. Seit jüngerer Zeit beinhaltet die Steuerschaltereinrichtung ein Halbleiterbauteil wie einen Transistor sowie eine einfache Einrichtung zum Ein- und Ausschalten des Halbleiterbauteils in zeitlicher Beziehung zum Motorzyklus.
Häufig ist es erwünscht, die Drehzahl eines Motors auf eine vorgegebene Maximaldrehzahl zu begrenzen. Es sind mehrere Typen elektronischer Drehzahlbegrenzer bekannt. Ein Typ arbeitet ausgehend von der Motorlichtmaschine. Da die Lichtmaschine typischerweise eine Spannung proportional zur Motordrehzahl erzeugt, führt ein Einstellen der von der Lichtmaschine erreichbaren Maximalspannung zu einer Einstellung der maximalen Motordrehzahl.
Es sind auch elektronische Drehzahlbegrenzer bekannt, z. B. aus US-A-4,462,356, die ein integraler Teil des Motorzündsystems sind. Derartige Drehzahlbegrenzer haben den Nachteil, daß sie nicht einfach an einem vorhandenen Motorzündsystem nachgerüstet werden können, ohne daß zumindest ein Teil des Zündsystems entfernt wird. Daher ist es erwünscht, einen einfachen Motordrehzahlbegrenzer zu schaffen, der an einem vorhandenen Motor dadurch nachgerüstet werden kann, daß er mit dem Zündsystem des Motors verbunden wird.
Gemäß der Erfindung ist ein Drehzahlbegrenzer für einen Verbrennungsmotor geschaffen, wobei der Motor ein magnetisches Zündsystem und eine Zündprimärwicklung aufweist, die einen Zündimpuls ausgibt, über einen ersten Anschluß verfügt und induktiv mit einer Sekundärwicklung gekoppelt ist, an die eine Zündkerze angeschlossen ist, wobei der Drehzahlbegrenzer folgendes aufweist: eine Signalaufbereitungseinrichtung zum Empfangen eines Wicklungssignals von der Primärwicklung und zum Ausgeben eines aufbereiteten Signals für einen Timereingang; eine Timereinrichtung zum Empfangen des aufbereiteten Signals und zum Ausgeben eines Steuersignals; gekennzeichnet durch eine erste Schaltereinrichtung zum Anschließen an den ersten Anschluß der Primärwicklung, und die mit der Timereinrichtung verbunden ist, um das Steuersignal zu empfangen und um auf dieses Steuersignal hin aktiviert zu werden, um den Zündimpuls kurzzuschließen, um dadurch zu verhindern, daß die Zündkerze zündet, wenn die Drehzahl des Motors einen vorgegebenen Wert überschreitet; wobei das Steuersignal ein einziges Steuersignal aus einem einzelnen Impuls vorgegebener Bereite pro Zündzyklus zu einem Zeitpunkt während des Zündzyklus ist, wie er durch das aufbereitete Signal festgelegt wird.
Es wird ein Ausführungsbeispiel eines Drehzahlbegrenzers für Verbrennungsmotoren offenbart, der billig ist und der leicht bei einem vorhandenen Verbrennungsmotor nachgerüstet werden kann. Der Drehzahlbegrenzer wird bei Motoren mit Primärzündwicklung mit einem ersten Anschluß, der einen Zündimpuls ausgibt, verwendet. Die Primärwicklung ist induktiv mit einer Sekundärwicklung gekoppelt, an die eine Zündkerze angeschlossen ist.
Der Drehzahlbegrenzer beinhaltet eine Signalaufbereitungseinrichtung zum Empfangen eines Wicklungssignals von der Primärwicklung und zum Ausgeben eines Aufbereitungssignals, eine Timereinrichtung zum Empfangen des aufbereiteten Signals zum Ausgeben eines Ausgangssignals mit einer speziellen zeitlichen Periode sowie eine erste Schaltereinrichtung, die in Reihe zum ersten Anschluß der Primärwicklung und zur Timereinrichtung geschaltet ist, um eine Aktivierung auf den Ausgangsimpuls der Timereinrichtung hin auszugeben, um den vom ersten Anschluß empfangenen Zündimpuls kurzzuschließen, um dadurch zu verhindern, daß die Zündkerze zündet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel empfängt die Signalaufbereitungseinrichtung ein Wicklungssignal mit hohem Spannungspegel von der Primärwicklung, und sie gibt ein aufbereitetes Signal mit einer Spannung niedrigen Pegels an die Timereinrichtung aus. Wenn dies auftritt, geht das Timerausgangssignal für eine vorgegebene Zeitspanne auf hohen Zustand. Die Schaltereinrichtung wird durch Einschalten aktiviert, um die Zündprimärseite auf das Ausgangssignal hin kurzzuschließen, wenn sich das Ausgangssignal in seinem hohen Zustand befindet und wenn gleichzeitig ein auf die Negativseite laufender Zündimpuls auftritt.
Die Timereinrichtung ist vorzugsweise ein monolithischer Timer des Typs IC 555 und die erste Schaltereinrichtung ist vorzugsweise ein Triac. Die Zeitspanne, während der sich das Ausgangssignal auf seinem hohen Pegel befindet, wird vorzugsweise durch die gewünschte maximale Motordrehzahl festgelegt.
Es ist ein Merkmal und ein Vorteil der Erfindung, daß ein einfacher und billiger Motordrehzahlbegrenzer geschaffen ist, der an einem Verbrennungsmotor nachgerüstet werden kann.
Es ist ein anderes Merkmal und Vorteil der Erfindung, daß ein genauer elektronischer Drehzahlbegrenzer geschaffen ist, der ab Lager lieferbare Standardkomponenten verwendet.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und aus der beigefügten Zeichnung deutlich, in der:
Fig. 1A ein Kurvendiagramm ist, das Spannungsimpulse der Zündprimärwicklung zeigt, wenn ein Motor bei relativ niedriger Drehzahl arbeitet;
Fig. 1B ein Kurvendiagramm ist, das Spannungsimpulse der Zündprimärwicklung zeigt, wenn der Motor bei relativ hoher Drehzahl arbeitet;
Fig. 2 eine schematische Zeichnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist; und
Fig. 3 eine schematische Zeichnung eines typischen Timers IC 555 ist, wie er zur Verwendung beim in Fig. 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel geeignet ist.
Die Fig. 1A und 1B sind Kurvendiagramme, die das Betriebsprinzip der Erfindung zeigen. Fig. 1A beinhaltet zwei auf die positive Seite laufende Impulse der Zündprimärwicklung. Die auf die positive Seite laufenden Impulse weisen eine relativ lange Dauer auf, da der Motor bei relativ kleiner Drehzahl läuft. Der in Fig. 1A dargestellte negative Impuls entspricht dem Zündimpuls, wie er erzeugt wird, um die Zündkerze zu zünden. Die Zeitdauer ab dem Start des auf die positive Seite laufenden Spannungsimpulses bis zum Zündimpuls ist mit WL dargestellt.
Fig. 1B ist ein Kurvendiagrainin, das Spannungsimpulse der Primärwicklung zeigt, wenn der Motor mit relativ hoher Drehzahl läuft. Wie es durch Vergleich zwischen den Fig. 1A und 1B erkennbar ist, ist die Zeitdauer ab dem Start des auf die positive Seite laufenden Pulses bis zum Zündimpuls in Fig. 1B, die mit WH bezeichnet ist, kleiner als die in Fig. 1A dargestellte Zeitdauer WL. Die Zeitdauer ab dem Start des auf die positive Seite laufenden Impulses bis zum Zündimpuls wird als Kennzeichnung für die Motordrehzahl verwendet, da sie funktionell mit der Motordrehzahl verknüpft ist. Die Frequenz der Zündimpulse nimmt zu, wenn der Motor bei höherer Drehzahl läuft, wie in Fig. 1B dargestellt, da ein Zündimpuls während jeder Umdrehung des Notorschwungrads erzeugt wird.
Der auf die positive Seite laufende Impuls der Primärwicklung wird bei der Erfindung dazu verwendet, eine monostabile Timereinrichtung 10 (Fig. 2) zu triggern, die im Zustand ihres hohen Ausgangspegels festgelegte Breite des Ausgangsimpulses aufweist. Die Timereinrichtung erzeugt ein Ausgangssignal, das sowohl hohen als auch niedrigen Pegel aufweist. Wenn sich das Ausgangssignal auf seinem hohen Pegel befindet, schaltet es eine erste Schaltereinrichtung auf Durchlaß, um die Zündprimärwicklung kurzzuschließen, um dadurch zu verhindern, daß an der Primärwicklung eine ausreichend negative Spannung erzielt wird, mit der die Zündkerze gezündet werden könnte. Da die Zündkerze nicht zünden kann, ist die Motordrehzahl auf eine vorgegebene Maximaldrehzahl begrenzt.
Fig. 2 ist eine schematische Zeichnung, die das bevorzugte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drehzahlbegrenzers veranschaulicht. In Fig. 2 ist eine Leitung 12 mit einem ersten Anschluß 14 einer Primärwicklung 16 verbunden, und eine Leitung 18 ist mit einem zweiten Anschluß 20 der Primärwicklung 16 verbunden. Die Primärwicklung 16 ist induktiv mit einer (nicht dargestellten) Sekundärwicklung verbunden, an deren Anschlüsse mindestens eine (nicht dargestellte) Zündkerze angeschlossen ist. Das von der Primärwicklung 16 empfangene Wicklungssignal wird durch eine Signalaufbereitugnseinrichtung mit einem Filterkondensator 22, einem Widerstand 24, einer Diode 26 und einer zweiten Schaltereinrichtung 28 aufbereitet. Der Kondensator 22 begrenzt die Geschwindigkeit, mit der das Wicklungssignal von der Primärwicklung 16 ansteigt, um zu verhindern, daß plötzliche Änderungen im Wicklungssignal die erste Schaltereinrichtung, hier einen Triac 30, einschalten. Der Kondensator 22 ist nicht erforderlich, wenn ein Schalter mit ausreichend hoher dv/dt-Bemessung als erste Schaltereinrichtung 30 verwendet wird. Die Diode 26 wird dazu verwendet, die zweite Schaltereinrichtung 28 vor Energieumwandlung in Sperrichtung zu schützen. Der zweite Schalter 28 wird durch ein positives Wicklungssignal von der Primärwicklung 16 in Durchlaßrichtung vorgespannt.
Das Einschalten des zweiten Schalters 28 bringt den Stift 2 der Timereinrichtung 10 in einen Zustand niedriger Spannung, was bewirkt, daß das Ausgangssignal des Timers 10 auf einen hohen Pegel geht.
Die Breite des Ausgangsimpulses des Timers 10 auf hohem Pegel ist festgelegt und ist eine Funktion von: der gewünschten Grenzdrehzahl des Motors; der Länge der Zeit zwischen dem Punkt, zu dem der Signalverlauf des Zündimpulses auf die positive Seite läuft, bis zum Punkt, zu dem andernfalls ein Zünden der Zündkerze auftreten würde; des Schwungraddurchmessers und der Position des umlaufenden Magnets. Die gewünschte Breite des Impulses hohen Pegels liegt typischerweise im Bereich zwischen 0,1 bis 1,5 Millisekunden. Bei niedrigen Motordrehzahlen kehrt das Timerausgangssignal vor dem Punkt, zu dem ein Zünden der Zündkerze auftritt, zum niedrigen Pegel zurück, und es besteht kein Einfluß auf das Motorzündsystem, da die Motordrehzahl nur begrenzt wird, wenn sich das Ausgangssignal des Timers zu dem Zeitpunkt auf dem hohen Pegel befindet, zu dem der Zündimpuls auftritt.
Die Impulsbreite des Ausgangssignals des Timers 10 wird dadurch festgelget, daß geeignete Werte für den Widerstand 32 und den Kondensator 34 gewählt werden. Der Widerstand 32 und der Kondensator 34 erzeugen eine Spannung am Stift 6 des Timers 10, die die Breite des Ausgangssignals des Timers mit hohem Pegel festlegt. Durch Ändern eines der Werte des Widerstands 32 und des Kondensators 34 oder beider wird die Zeitspanne verändert, während der das Ausgangssignal des Timers 10 auf hohem Pegel bleibt, um dadurch die Motorgrenzdrehzahl festzulegen.
Eine Leitung 35 verbindet eine (nicht dargestellte) positive Gleichspannungsquelle mit dem Spannungstimer 10. Das Ausgangssignal der Spannungsversorgung liegt typischerweise zwischen 5 und 10 Volt und kann typischerweise von der Primärwicklung der Magnetzündspule des Motors geliefert werden, mit einer geeigneten Signalaufbereitung. Ein Kondensator 36 arbeitet als Störfilter. Widerstände 38 und 40 bilden einen Spannungsteiler, der die Größe des an das Gate der ersten Schaltereinrichtung, des Triacs 30, angelegten Spannungssignals einstellt.
Eine Diode 41 sperrt den auf die positive Seite laufenden Zyklus des Primärwicklungsstroms, um dazu beizutragen, die Energieumsetzung im Triac 30 zu begrenzen. Ein Widerstand 42 ist ein Widerstand mit kleinein Wert (typischerweise zwischen 10 und 15 Ohm), der dazu verwendet wird, den Spitzenstrom des Triacs zu begrenzen.
Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung arbeitet auf die folgende Weise. Auf die positive Seite laufende Wicklungssignale der Zündprimärseite 16 werden durch die Signalaufbereitungseinrichtung aufbereitet, die aus dem Kondensator 22, dem Widerstand 24, dem Widerstand 33, der Diode 26 und dem Schalter 28 besteht. Am Stift 2 des Timers 10 wird ein aufbereitetes Signal niedrigen Pegels ausgegeben, wenn das Spannungssignal der Primärwicklung auf die positive Seite läuft. Dies bewirkt, daß der Timer 10 damit beginnt, ein Ausgangssignal mit hohem Pegel zu erzeugen. Das Ausgangssignal hohen Pegels wird vom Timer 10 am Stift 3 über den Widerstand 38 ausgegeben und schaltet den Triac 30 für eine vorgegebene Zeitspanne durch, wie oben erörtert. Falls während der Zeit, in der der Triac 30 durchgeschaltet ist, von der Zündprimärseite 16 ein auf die negative Seite laufendes Zündspannungssignal erzeugt wird, wird dieses Spannungssignal kurzgeschlossen, da der erste Anschluß 14 der Primärwicklung 16 mit der Leitung 12 verbunden ist, die ihrerseits über den durchgeschalteten Triac 30 mit der Leitung 18 und dem zweiten Anschluß 20 der Primärwicklung 16 verbunden ist. Das Kurzschließen der Zündprimärseite verringert die an der Primärwicklung abfallende Spannung auf einen Pegel, der dazu ausreicht, die Motorzündkerze zu zünden. Die Zündimpulse werden nur dann kurzgeschlossen, wenn der Motor die gewünschte Grenz- oder Maximaldrehzahl erreicht.
Anstelle des Triacs 30 können verschiedene Typen von Schaltern verwendet werden, einschließlich eines SCRS oder eines Transistors, abhängig vom Typ des Zündsystems und der verwendeten Aufbereitung des Eingangssignals. Die Erfindung ist insbesondere für Motoren geeignet, die mit induktiven, magnetischen oder mit Kondensatorentladung arbeitenden Zündsystemen versehen sind.
Der erfindungsgemäße Drehzahlbegrenzer setzt sich automatisch selbst nach jeder Umdrehung des Motorschwungrads zurück, da der Strom der Primärwicklung nicht kontinuierlich ist. Wenn die nächste Umdrehung des Motorschwungrads nicht zu schnell ist, wird das Zünden der Zündkerze nicht verhindert. Ein Kurzschließen der Zündimpulse tritt nur dann auf, wenn die Grenzdrehzahl bei einer jeweils einzelnen Umdrehung des Motorschwungrads überschritten ist.
Fig. 3 ist eine schematische Zeichnung für einen typischen Timer, wie er als Timer 10 in Fig. 2 verwendet werden kann. Das in Fig. 3 dargestellte schematische Schaltbild entspricht der monolithischen Timerschaltung MCL555 von Motorola, obwohl für den Timer 10 andere Timerschaltung 555 verwendet werden könnten.
Obwohl ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, sind dem Fachmann andere, alternative Ausführungsbeispiele erkennbar, die innerhalb des gewollten Schutzbereichs der Erfindung liegen. Daher ist die Erfindung nur durch die nachfolgenden Ansprüche beschränkt.

Claims

1. Drehzahlbegrenzer für einen Verbrennungsmotor, wobei der Motor ein magnetisches Zündsystem und eine Zündprimärwicklung (16) aufweist, die einen Zündimpuls ausgibt, über einen ersten Anschluß (14) verfügt und induktiv mit einer Sekundärwicklung gekoppelt ist, an die eine Zündkerze angeschlossen ist, wobei der Drehzahlbegrenzer folgendes aufweist:

- eine Signalaufbereitungseinrichtung (22, 24, 26, 28) zum Empfangen eines Wicklungssignals von der Primärwicklung und zum Ausgeben eines aufbereiteten Signals für einen Timereingang (2);

- eine Timereinrichtung (10) zum Empfangen des aufbereiteten Signals und zum Ausgeben eines Steuersignals;

gekennzeichnet durch

- eine erste Schaltereinrichtung (30) zum Anschließen an den ersten Anschluß (14) der Primärwicklung (16), und die mit der Timereinrichtung (10) verbunden ist, um das Steuersignal zu empfangen und um auf dieses Steuersignal hin aktiviert zu werden, um den Zündimpuls kurzzuschließen, um dadurch zu verhindern, daß die Zündkerze zündet, wenn die Drehzahl des Motors einen vorgegebenen Wert überschreitet;

- wobei das Steuersignal ein einziges Steuersignal aus einem einzelnen Impuls vorgegebener Bereite pro Zündzyklus zu einem Zeitpunkt während des Zündzyklus ist, wie er durch das aufbereitete Signal festgelegt wird.

2. Drehzahlbegrenzer nach Anspruch 1, bei dem die Signalaufbereitungseinrichtung (22, 24, 26, 28) ein auf die positive Seite lauf endes Wicklungssignal von der Primärwicklung (16) empfängt und ein aufbereitetes Signal mit niedrigem Spannungspegel ausgibt.

3. Drehzahlbegrenzer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Steuersignal einen Zustand niedriger Spannung und einen Zustand hoher Spannung aufweist und bei dem die erste Schaltereinrichtung (30) einschaltend aktiviert wird, wenn sich das Steuersignal im Zustand hoher Spannung befindet.

4. Drehzahlbegrenzer nach Anspruch 3, bei dem der Zündimpuls einen auf die negative Seite laufenden Impuls aufweist und bei dem die erste Schaltereinrichtung (30) den auf die negative Seite laufenden Impuls kurzschließt, wenn sich das Steuersignal im Zustand hoher Spannung befindet und gleichzeitig der Zündimpuls auf die negative Seite läuft.

5. Drehzahlbegrenzer nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem die Zeitspanne, während der sich das Steuersignal im Zustand hoher Spannung befindet, durch die gewünschte maximale Motordrehzahl festgelegt ist.

6. Drehzahlbegrenzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einer Gleichstromguelle, die die Timereinrichtung (10) betreibt.

7. Drehzahlbegrenzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Signalaufbereitungseinrichtung (22, 24, 26, 28) folgendes beinhaltet:

- einen Filterkondensator (22), der die Geschwindigkeit begrenzt, mit der das Wicklungssignal ansteigt; und

- eine zweite Schaltereinrichtung (28), die mit dem Filterkondensator und der Timereinrichtung (10) verbunden ist und das aufbereitete Signal an die Timereinrichtung ausgibt.

8. Drehzahlbegrenzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Timereinrichtung (10) eine Timerschaltung 555 ist.

9. Drehzahlbegrenzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste Schaltungseinrichtung (30) ein Triac ist.