DE102006060617B4

DE102006060617B4 - Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102006060617B4
Application number: DE102006060617.5A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Layher Wolfgang; Dr.-Ing. Maier Georg; Dr.-Ing. Rieber Martin; Dr. Flämig-Vetter Tobias; Dipl.-Ing. Reimer Jens; Andreas Krups; Dieter Bächle; Helmut Visel
Original assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Current assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: DE102006060617A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor (1, 61) einen Zylinder (2) besitzt, in dem ein Brennraum (3) ausgebildet ist, wobei der Brennraum (3) von einem hin- und hergehenden Kolben (5) begrenzt ist, der eine in einem Kurbelgehäuse (4) drehbar gelagerte Kurbelwelle (7) antreibt, mit einem Ansaugkanal (34), mit einem Auslaß (8) aus dem Brennraum (3), mit einer Einrichtung zur Zufuhr von Kraftstoff und einer Einrichtung zur Steuerung mindestens eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors,
wobei im Betrieb des Verbrennungsmotors (1, 61) der Druck (p₁, p₂, p₃) im Kurbelgehäuse (4) gemessen wird und anhand des gemessenen Drucks (p₁, p₂, p₃) im Kurbelgehäuse (4) die durch den Brennraum (3) strömende Luftmenge ermittelt wird, und anhand der ermittelten Luftmenge ein einzustellender Wert für mindestens einen steuerbaren Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (1, 61) ermittelt und der ermittelte Wert für den Betriebsparameter eingestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsparameter der Zündzeitpunkt (ZZP) ist und daß der Zündzeitpunkt (ZZP) anhand des ermittelten Luftmassenstroms (m) und der Drehzahl (N) des Verbrennungsmotors (1, 61) ermittelt wird, wobei beim Beschleunigen der Zündzeitpunkt (ZZP) bei einem Anstieg des Luftmassenstroms (m) auf einen früheren Zeitpunkt verschoben wird, obwohl die Drehzahl (N) noch nicht merklich angestiegen ist, und wobei beim Verzögern beim Absinken des Luftmassenstroms (m) auch bei hohen Drehzahlen (N) der Zündzeitpunkt (ZZP) auf einen späteren Zeitpunkt verstellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 102 20 555 A1 ist ein Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem die Verbrennungsluft ins Kurbelgehäuse zugeführt wird und über Überströmkanäle in den Brennraum übertritt. Beim Übertreten der Verbrennungsluft in den Brennraum wird Kraftstoff zudosiert, der im Brennraum zu Kraftstoff/Luft-Gemisch aufbereitet und gezündet wird. Die dem Motor zugeführte Kraftstoffmenge, der Zeitpunkt der Kraftzufuhr und der Zündzeitpunkt sind steuerbar.
Die DE 691 00 055 T2 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, bei dem die in den Brennraum übergeströmte Luftmasse als Differenz der Luftmassen im Kurbelgehäuse vor und nach dem Überströmvorgang ermittelt wird. Hierzu wird der Druck im Kurbelgehäuse gemessen. Die ermittelte Luftmasse wird genutzt, um das Kraftstoff/Luft-Verhältnis in gewünschter Weise einzustellen.
Die DE 103 40 082 A1 offenbart eine Vorrichtung, mit der der Querschnitt der Ansaugleitung in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen dem Druck im Kurbelgehäuse und einem Druck außerhalb des Kurbelgehäuses eingestellt wird.
Die US 5 606 952 A offenbart ein Verfahren zur Steuerung des Zündzeitpunkts eines Verbrennungsmotors, bei dem der Zündzeitpunkt beim Beschleunigen gegenüber der üblichen Zündzeitpunktverstellung beim Beschleunigen nach spät verstellt wird, um eine schnelle Erwärmung des Motors zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors anzugeben, mit dem auf einfache Weise ein stabiler Betrieb des Verbrennungsmotors und geringe Abgaswerte erreicht werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Es hat sich gezeigt, daß sich beim Betrieb des Verbrennungsmotors im Kurbelgehäuse bei unterschiedlichen Betriebszuständen unterschiedliche Druckwerte einstellen. Der Druck im Kurbelgehäuse kann auf einfache Weise mit geringem Aufwand zyklusgenau ermittelt werden. Dabei sind auch mehrere Druckmessungen pro Arbeitsspiel möglich. Die Druckmessung kann dabei kontinuierlich oder zu einzelnen, vorgegebenen Zeitpunkten erfolgen. Vorteilhaft wird für jedes Arbeitsspiel des Verbrennungsmotors mindestens eine Druckmessung, insbesondere mindestens zwei Druckmessungen durchgeführt. Es können jedoch auch eine Vielzahl von Druckmessungen je Arbeitsspiel vorgesehen sein. Es kann auch vorgesehen sein, nicht bei jedem Arbeitsspiel eine Druckmessung durchzuführen sondern den Druck im Kurbelgehäuse in vorgegebenen Abständen, beispielsweise jedes zweite Arbeitsspiel, zu ermitteln.
Anhand des gemessenen Drucks wird für einen oder mehrere steuerbare Betriebsparameter des Verbrennungsmotors ein einzustellender Wert ermittelt. Der Betriebsparameter ist der Zündzeitpunkt einer in den Brennraum einragenden Zündkerze des Verbrennungsmotors, die das Gemisch im Brennraum zündet. Der einzustellende Wert ist dabei insbesondere der Wert, bei dem sich ein optimales Laufverhalten und/oder optimale Abgaswerte ergeben. Der ermittelte Wert für den Betriebsparameter wird dann eingestellt. Dadurch kann auf einfache Weise eine Steuerung des Verbrennungsmotors realisiert werden. Steuerbare Betriebsparameter sind dabei alle Parameter des Verbrennungsmotors, die eingestellt werden können, wie beispielsweise die zugeführte Kraftstoffmenge oder der Zündzeitpunkt. Ein steuerbarer Betriebsparameter kann beispielsweise auch der Zeitpunkt der Kraftstoffzufuhr sein.
Vorteilhaft wird der Druck im Kurbelgehäuse als Relativdruck relativ zu einem Referenzdruck gemessen. Dabei kann der Referenzdruck der Umgebungsdruck sein. Als Referenzdruck kann aber auch der Druck im Ansaugkanal, im Reinraum eines Luftfilters des Verbrennungsmotors, im Zylinder oder in einem Schalldämpfer des Verbrennungsmotors dienen. Der Referenzdruck kann ein kalibrierter oder ein unkalibrierter Referenzdruck sein. Ein Drucksensor zur Ermittlung eines Relativdrucks ist einfacher aufgebaut als ein Absolutdrucksensor. Insbesondere bei der Messung des Drucks relativ zu einem unkalibrierten Referenzdruck kann eine aufwendige Kalibrierung des Drucksensors entfallen.
Vorteilhaft wird die Temperatur im Kurbelgehäuse gemessen. Die Temperatur gibt Anhaltspunkte für den Betriebszustand des Verbrennungsmotors, so daß auch die Temperatur zur Bestimmung eines einzustellenden Werts für einen Betriebsparameter des Verbrennungsmotors herangezogen werden kann. Vorzugsweise werden der Druck und die Temperatur im Kurbelgehäuse von einem kombinierten Druck-Temperatur-Sensor gemessen. Dadurch ist eine Messung beider Größen mit nur einem kompakten Sensor möglich. Die Anzahl der Bauteile und der Montageaufwand wird verringert.
Der Druck im Kurbelgehäuse wird insbesondere bei einem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel gemessen. Dem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel ist konstruktiv ein vorgegebenes Kurbelgehäusevolumen zugeordnet. Der Druck wird vorteilhaft bei einem Kurbelwellenwinkel gemessen, zu dem das Kurbelgehäuse geschlossen ist. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich ein abgeschlossenes Volumen im Kurbelgehäuse. Insbesondere, wenn der Verbrennungsmotor ein Zweitaktmotor ist, läßt sich durch die Messung von Druck und Temperatur auf die im Kurbelgehäuse eingeschlossene Verbrennungsluftmenge rückschließen. Vorteilhaft wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors gemessen.
Es ist vorgesehen, daß anhand des gemessenen Drucks im Kurbelgehäuse die durch den Brennraum strömende Luftmenge ermittelt wird. Um sicherzustellen, daß sich im Brennraum zündfähiges Gemisch bildet und um gleichzeitig eine möglichst vollständige Verbrennung zu erreichen, so daß sich niedrige Abgaswerte einstellen, ist es wünschenswert, im Brennraum ein vorgegebenes Verhältnis von Kraftstoff und Luft, also eine vorgegebene Luftzahl Lambda, zu erreichen. Die sich ergebende Luftzahl Lambda ist von der zugeführten Kraftstoffmenge und von der zugeführten Menge an Verbrennungsluft abhängig. Um einen vorgegebenen Lambda-Wert im Brennraum einzustellen, ist die Kenntnis der in den Brennraum übertretenden Verbrennungsluftmenge notwendig, damit eine entsprechende Menge Kraftstoff zudosiert werden kann. Es hat sich gezeigt, daß beispielsweise die benötigte Kraftstoffmenge von dem sich im Betrieb des Verbrennungsmotors im Kurbelgehäuse einstellenden Druck abhängt.
Es ist vorgesehen, daß die Luftmenge über ein Kennfeld ermittelt wird, das die Luftmenge als Luftmassenstrom in Abhängigkeit der Drehzahl und des Drucks im Kurbelgehäuse bei dem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel angibt. Es hat sich gezeigt, daß der Luftmassenstrom durch das Kurbelgehäuse nicht nur abhängig vom Druck bei dem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel, sondern auch von der Drehzahl ist. Über das Kennfeld kann der Luftmassenstrom ausreichend genau ermittelt werden, so daß eine zyklusgenaue Einstellung eines Betriebsparameters wie beispielsweise die Dosierung einer optimalen Kraftstoffmenge möglich ist. Auch die Temperatur im Kurbelgehäuse besitzt einen Einfluß auf den Luftmassenstrom. Um dies auszugleichen, ist vorgesehen, daß der gemessene Druck mit der gemessenen Temperatur korrigiert und der Luftmassenstrom anhand des korrigierten Drucks aus dem Kennfeld ermittelt wird. Damit wird eine genauere Bestimmung des Luftmassenstroms möglich. Der Druck wird dabei insbesondere als Relativdruck zu einem Referenzdruck erfaßt. Der Referenzdruck ist dabei vorteilhaft ein kalibrierter Referenzdruck.
Es kann auch vorgesehen sein, den Luftmassenstrom durch den Brennraum zu berechnen. Zweckmäßig wird der Druck im Kurbelgehäuse bei einem ersten Kurbelwellenwinkel während der Kompressionsphase im Kurbelgehäuse und bei einem zweiten Kurbelwellenwinkel während der Expansionsphase im Kurbelgehäuse gemessen. Das Volumen des Kurbelgehäuses bei dem ersten Kurbelwellenwinkel entspricht insbesondere dem Volumen des Kurbelgehäuses bei dem zweiten Kurbelwellenwinkel. Bei gleichem Kurbelgehäusevolumen ist der Druckabfall beim zweiten Kurbelwellenwinkel, also im zweiten Zeitpunkt, gegenüber dem ersten Zeitpunkt durch die in den Brennraum übergetretene Verbrennungsluftmenge bedingt. Aus dem Druckabfall läßt sich über das ideale Gasgesetz die übergetretene Verbrennungsluftmenge und damit der Luftmassenstrom aus dem Kurbelgehäuse in den Brennraum bestimmen. Das Volumen des Kurbelgehäuses kann jedoch zu den beiden Zeitpunkten auch unterschiedlich sein. In diesem Fall müssen die konstruktiven Volumina des Kurbelgehäuses zu beiden Zeitpunkten bekannt sein.
Der Verbrennungsmotor ist insbesondere ein Zweitaktmotor mit mindestens einem Überströmkanal, über den die in das Kurbelgehäuse angesaugte Verbrennungsluft in den Brennraum übertritt. Zweckmäßig besitzt der Zweitaktmotor einen Ansaugkanal, über den Verbrennungsluft ins Kurbelgehäuse angesaugt wird. Die Berechnung der Luftmenge erfolgt vorteilhaft über die Berechnung der bei einem Arbeitsspiel in den Brennraum übertretenden Verbrennungsluftmasse über das ideale Gasgesetz anhand des Drucks und der Temperatur bei dem ersten Kurbelwellenwinkel, des Drucks und der Temperatur bei dem zweiten Kurbelwellenwinkel, des Volumens des Kurbelgehäuses bei den beiden Kurbelwellenwinkeln und der Gaskonstante. Dabei ist die übergetretene Verbrennungsluftmasse proportional zum Volumen des Kurbelgehäuses und proportional zur Differenz der Quotienten aus Druck und Temperatur bei den beiden Kurbelwellenwinkeln. Der übergetretene Luftmassenstrom ergibt sich dann aus m=Δm*A/60, wobei m der übergetretene Luftmassenstrom, Δm die übergetretene Verbrennungsluftmenge pro Arbeitsspiel und A die Anzahl der Arbeitsspiele pro Minute ist.
Die übergetretene Verbrennungsluftmasse kann dadurch in Abhängigkeit der Differenz der Drücke bei den beiden Kurbelwellenwinkeln ermittelt werden. Da zur Berechnung der übergetretenen Verbrennungsluftmasse nur die Druckdifferenz benötigt wird, kann zur Messung der Drücke ein Relativdrucksensor eingesetzt werden, der den Druck relativ zu einem unkalibrierten Referenzdruck mißt. Ein derartiger Relativdrucksensor ist einfach und robust aufgebaut. Aufgrund der Differenzbildung können sich auch Meßungenauigkeiten, beispielsweise aufgrund von Sensordrift, teilweise oder vollständig ausgleichen, so daß hierfür keine Kompensation erforderlich ist.
Mit der Berechnung ist eine einfache Möglichkeit der Bestimmung des Luftmassenstroms gegeben. Der sich ergebende Fehler bei der Berechnung des Luftmassenstroms gegenüber dem real übertretenden Luftmassenstrom ist sehr gering, so daß sich der Betriebsparameter hinreichend genau einstellen läßt. Eine Temperaturkorrektur kann zweckmäßig sein.
Vorteilhaft werden die Temperatur bei dem ersten Kurbelwellenwinkel und die Temperatur bei dem zweiten Kurbelwellenwinkel aus der gemessenen mittleren Kurbelgehäusetemperatur berechnet. Für die Messung der ersten und der zweiten Temperatur ist ein geeigneter schneller Temperatursensor notwendig. Wird die Temperatur zu den beiden Zeitpunkten aus der mittleren Kurbelgehäusetemperatur berechnet, kann ein vergleichsweise langsam ansprechender Temperatursensor zum Einsatz kommen. Der Temperatursensor kann, anstatt die Temperatur im Kurbelgehäuse direkt zu messen, auch die Temperatur eines zugeordneten Bauteils, beispielsweise eine Wandtemperatur des Kurbelgehäuses messen. Dadurch kann ein einfach aufgebauter Temperatursensor zum Einsatz kommen. Aufwendige Abdichtungsmaßnahmen im Bereich des Temperatursensors können entfallen, wenn der Temperatursensor lediglich die Wandtemperatur des Kurbelgehäuses mißt.
Es ist vorgesehen, daß die Temperatur bei dem ersten Kurbelwellenwinkel und die Temperatur bei dem zweiten Kurbelwellenwinkel aus der gemessenen mittleren Kurbelgehäusetemperatur über eine polytrope Zustandsänderung berechnet werden und daß der Polytropenexponent für die Zustandsgleichung über ein Kennfeld ermittelt wird. Zur Berechnung der Temperatur zu den beiden Kurbelwellenwinkeln aus der mittleren Kurbelgehäusetemperatur kann eine polytrope Zustandsänderung im Kurbelgehäuse zwischen den beiden Kurbelwellenwinkeln angenommen werden. Die polytrope Zustandsänderung erfaßt den Wärmeübergang zwischen Kurbelgehäuse und der im Kurbelgehäuse angeordneten Verbrennungsluft bzw. dem Kraftstoff/Luft-Gemisch. Der Polytropenexponent kann je nach dem Wärmeübergang im Kurbelgehäuse unterschiedliche Werte annehmen. Der Polytropenexponent ist abhängig vom Aufbau und der Konstruktion des Verbrennungsmotors und vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors. Der Polytropenexponent kann in einem Kennfeld insbesondere in Abhängigkeit der Drehzahl und der Verbrennungsluftmasse oder in Abhängigkeit der Drehzahl und der mittleren Kurbelgehäusetemperatur hinterlegt sein. Dadurch kann die Verbrennungsluftmasse in Abhängigkeit der Druckdifferenz bei zwei Kurbelwellenwinkeln und in Abhängigkeit der mittleren Kurbelgehäusetemperatur berechnet werden.
Der Betriebsparameter ist vorteilhaft die bei einem Arbeitsspiel des Verbrennungsmotor zuzuführende Kraftstoffmenge zur Erreichung eines vorgegebenen Lambda-Werts im Brennraum. Vorzugsweise wird die benötigte Kraftstoffmenge anhand des Luftmassenstroms durch den Brennraum ermittelt. Aus dem ermittelten Druck im Kurbelgehäuse kann auf den Luftmassenstrom geschlossen werden. Bei bekanntem Luftmassenstrom und vorgegebenem Lambda-Wert kann die benötigte Kraftstoffmenge errechnet werden. Es ist vorgesehen, daß die ermittelte Kraftstoffmenge bei dem auf die Druckmessung folgenden Arbeitsspiel zugeführt wird. Durch die zeitnahe Zufuhr der ermittelten Kraftstoffmenge ist ein Betrieb des Verbrennungsmotors bei dem vorgegebenen Lambda-Wert sichergestellt. Vorteilhaft wird der Druck im Kurbelgehäuse zu einem Zeitpunkt gemessen, zu dem die Strömungsverbindung zum Brennraum und der Einlaß geschlossen sind. Bei geschlossenem Kurbelgehäuse ist der Druck im Kurbelgehäuse ein Maß für die im Kurbelgehäuse eingeschlossene Luftmenge, so daß sich aus diesem Meßwert der Luftmassenstrom bestimmen läßt.
Es ist vorgesehen, daß beim Starten des Verbrennungsmotors anhand der gemessenen Temperatur ein vorgegebener Lambda-Wert für Kaltstart oder ein vorgegebener Lambda-Wert für Warmstart gewählt und die dem gewählten Lambda-Wert entsprechende Kraftstoffmenge ermittelt wird. Beim Kaltstart wird für eine Zündung ein fetteres Gemisch benötigt, so daß bei gleichem Luftmassenstrom mehr Kraftstoff eingebracht werden muß. Die Temperaturmessung ermöglicht eine Anpassung des Lambda-Werts und damit der einzubringenden Kraftstoffmenge an die Temperatur. Es ist vorgesehen, daß der Kraftstoff über ein elektrisch zu betätigendes Kraftstoffventil eingebracht wird und die benötigte Kraftstoffmenge durch Steuerung des Öffnungszeitpunkts und des Schließzeitpunkts des Kraftstoffventils dosiert wird.
Es ist vorgesehen, daß anhand der gemessenen Drehzahl und dem ermittelten Luftmassenstrom der Zündzeitpunkt über ein Kennfeld bestimmt wird. Dadurch läßt sich ein verbessertes Laufverhalten des Verbrennungsmotors erreichen.
Ein Verbrennungsmotor, mit dem das Verfahren durchgeführt werden kann, besitzt einen Zylinder, in dem ein Brennraum ausgebildet ist, der von einem hin- und hergehenden Kolben begrenzt ist, wobei der Kolben eine in einem Kurbelgehäuse drehbar gelagerte Kurbelwelle antreibt, mit einem Einlaß zur Zufuhr von Verbrennungsluft und mit einem Auslaß aus dem Brennraum, wobei der Verbrennungsmotor eine Einrichtung zur Zufuhr von Kraftstoff und eine Einrichtung zur Steuerung der zugeführten Kraftstoffmenge aufweist, und wobei der Verbrennungsmotor einen Drucksensor zur Ermittlung des Kurbelgehäusedrucks besitzt.
Der Drucksensor ermöglicht die Erfassung des Kurbelgehäusedrucks zu vorgegebenen Kurbelwellenwinkeln und daraus die Bestimmung des Luftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor und die Zufuhr einer optimalen Kraftstoffmenge.
Vorteilhaft ist der Drucksensor ein Relativdrucksensor. Der Drucksensor mißt dabei den Kurbelgehäusedruck relativ zu einem Referenzdruck. Der Relativdruck kann ein kalibrierter oder ein unkalibrierter Referenzdruck sein. Ein Relativdrucksensor ist einfach aufgebaut. Insbesondere ein Relativdrucksensor, der den Relativdruck zu einem unkalibrierten Referenzdruck mißt, ist einfach ausgebildet und robust. Eine Kalibrierung des Drucksensors kann entfallen, insbesondere, wenn der Drucksensor zur Ermittlung der Druckdifferenz zwischen zwei Kurbelwellenwinkeln, vorzugsweise einem Kurbelwellenwinkel in der Kompressionsphase und einem Kurbelwellenwinkel in der Expansionsphase des Kurbelgehäuses eingesetzt wird.
Es ist vorgesehen, daß der Drucksensor im Kurbelgehäuse angeordnet ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß der Verbrennungsmotor ein Zweitaktmotor ist, dessen Kurbelgehäuse über mindestens einen Überströmkanal mit dem Brennraum verbunden ist und daß der Drucksensor im Überströmkanal angeordnet ist. Zweckmäßig ist der Verbrennungsmotor ein gemischgeschmierter Viertaktmotor und der Drucksensor ist in einem mit dem Kurbelgehäuse verbundenen Schmiervolumen angeordnet.
Vorzugsweise besitzt der Verbrennungsmotor einen Temperatursensor zur Ermittlung der Kurbelgehäusetemperatur. Die Kurbelgehäusetemperatur dient zur Korrektur des gemessenen Druckwerts, zur Auswahl eines vorgegebenen Lambda-Werts für den Kaltstart oder den Warmstart und als Eingangsgröße für die Berechnung der übergetretenen Verbrennungsluftmasse. Insbesondere ist der Temperatursensor zur Messung einer mittleren Kurbelgehäusetemperatur ausgebildet. Als Temperatursensor kann dadurch ein einfach aufgebauter, vergleichsweise langsam ansprechender Temperatursensor eingesetzt werden. Vorteilhaft ist der Temperatursensor in einer Wand des Verbrennungsmotors angeordnet und mißt als mittlere Kurbelgehäusetemperatur die Temperatur der Wand. Die Wand kann dabei eine Wand des Kurbelgehäuses oder eine Wand des Zylinders des Verbrennungsmotors sein. Dadurch ist der Temperatursensor den Medien im Kurbelgehäuse nicht direkt ausgesetzt. Eine Verschmutzung des Sensors ist vermieden. Eine Abdichtung des Kurbelgehäuses im Bereich des Sensors entfällt, da der Sensor vom Inneren des Kurbelgehäuses getrennt in einer Wand des Kurbelgehäuses oder des Zylinders angeordnet ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß der Temperatursensor die Temperatur im Kurbelgehäuse selbst mißt. Hierzu ist der Temperatursensor vorteilhaft im Kurbelgehäuse oder in einem Überströmkanal angeordnet.
Vorzugsweise sind der Drucksensor und der Temperatursensor in einem kombinierten Druck-Temperatur-Sensor ausgebildet. Die Einrichtung zur Zufuhr von Kraftstoff ist insbesondere ein Kraftstoffventil.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors im Längsschnitt,
2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in 1,
3 eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung eines Verbrennungsmotors,
4 und 5 schematische Schnittdarstellungen der Anordnung des Temperatursensors,
6 ein Diagramm des Druckverlaufs im Kurbelgehäuse über dem Kurbelwellenwinkel,
7 ein Diagramm des Druckverlaufs im Kurbelgehäuse über dem Kurbelgehäusevolumen,
8 bis 10 Flußdiagramme für Verfahren zur Ermittlung des Luftmassenstroms durch den Brennraum,
11 ein Diagramm, das den Zündzeitpunkt in Abhängigkeit des Luftmassenstroms und der Drehzahl angibt,
12 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors im Längsschnitt,
13 ein Diagramm, das den Ablauf des Verfahrens zeigt.

Der in 1 gezeigte Verbrennungsmotor 1 ist ein Einzylinder-Zweitaktmotor, der insbesondere für ein handgeführtes Arbeitsgerät wie eine Motorsäge, einen Trennschleifer, einen Freischneider oder dgl. vorgesehen ist. Der Verbrennungsmotor 1 besitzt einen Zylinder 2, in dem ein Brennraum 3 ausgebildet ist. In dem Brennraum 3 ist ein Kolben 5 hin- und hergehend gelagert. Der Kolben 5 treibt über ein Pleuel 6 eine in einem Kurbelgehäuse 4 drehbar gelagerte Kurbelwelle 7 an. Das Pleuel 6 ist an einem Pleuelauge 20 an der Kurbelwelle 7 festgelegt. Die Kurbelwelle 7 dreht sich im Betrieb in Drehrichtung 16. Der Kolben 5 bewegt sich zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT. Der Zylinder 2 besitzt eine Längsmittelachse 13, die mit der Verbindungslinie zwischen der Drehachse der Kurbelwelle 7 und einer Mittelachse 21 des Pleuelauges 20 einen Kurbelwellenwinkel α einschließt. Im oberen Totpunkt OT des Kolbens 5 beträgt der Kurbelwellenwinkel α 0° und im unteren Totpunkt UT 180°.
Der Verbrennungsmotor 1 besitzt einen Ansaugkanal 34, der an einem Einlaß 9 für Verbrennungsluft ins Kurbelgehäuse 4 mündet, und einen Auslaß 8 aus dem Brennraum 3. Im Bereich des unteren Totpunkts UT ist das Kurbelgehäuse 4 über Überströmkanäle 10 und 11 mit dem Brennraum 3 verbunden. Wie 2 zeigt besitzt der Verbrennungsmotor 1 zwei einlaßnahe Überströmkanäle 10 und zwei auslaßnahe Überströmkanäle 11. Die Überströmkanäle 10 und 11 sind symmetrisch zu einer den Einlaß 9 und den Auslaß 8 etwa mittig teilenden Mittelebene 12 angeordnet. Wie 1 zeigt, münden die Überströmkanäle 10 mit Überströmfenstern 14 und die Überströmkanäle 11 mit Überströmfenstern 15 in den Brennraum 3. Der Einlaß 9, der Auslaß 8 und die Überströmfenster 14 und 15 sind vom Kolbenhemd 19 des Kolbens 5 schlitzgesteuert. Die Überströmkanäle 10 und 11 stellen eine vom Kolben 5 gesteuerte Strömungsverbindung zwischen Kurbelgehäuse 4 und Brennraum 3 her.
Wie 2 zeigt, mündet in den Überströmkanal 10 ein Kraftstoffventil 18 zur Zufuhr von Kraftstoff. Am Überströmkanal 10 ist ein Druck-Temperatur-Sensor 39 angeordnet, der den Druck und die Temperatur im Überströmkanal 10 mißt. Da die Überströmkanäle 10 und 11 an ihrem dem Kurbelgehäuse 4 zugewandten Ende zum Kurbelgehäuse 4 hin offen sind, mißt der Druck-Temperatur-Sensor 39 damit auch Druck und Temperatur im Kurbelgehäuse 4. Die Überströmkanäle 10 und 11 können auch über ihre gesamte Länge zum Zylinderinneren hin offen sein.
Der Druck-Temperatur-Sensor 39 mißt als Temperatur insbesondere eine mittlere Kurbelgehäusetemperatur T₀ und einen Relativdruck. Der Relativdruck wird relativ zu einem kalibrierten oder einem unkalibrierten Referenzdruck gemessen. Der Referenzdruck kann der Umgebungsdruck, der Druck im Ansaugkanal, der Druck auf der Reinseite eines Luftfilters, über den der Verbrennungsmotor 1 Verbrennungsluft ansaugt, der Druck im Zylinder 2 oder der Druck in einem an den Auslaß 8 des Verbrennungsmotors 1 angeschlossenen Schalldämpfer sein. Der Drucksensor des Druck-Temperatur-Sensors 39 besitzt vorteilhaft eine Temperaturkompensation. Vorteilhaft wird die Temperaturkompensation des Drucksensors als Temperatursensor genutzt, d.h., das Signal der Temperaturkompensation wird als Temperatursignal genutzt. Dadurch ist kein zusätzlicher Temperatursensor notwendig. Zur Messung der Temperatur, insbesondere der mittleren Kurbelgehäusetemperatur T₀ , kann dadurch die ohnehin vorhandene Temperaturkompensation genutzt werden. Im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 wird im Bereich des oberen Totpunkts OT des Kolbens 5 Verbrennungsluft über den Einlaß 9 ins Kurbelgehäuse 4 angesaugt. Beim Abwärtshub des Kolbens 5 wird die Verbrennungsluft im Kurbelgehäuse 4 verdichtet. Sobald das Korbenhemd 19 die Überströmfenster 14 und 15 öffnet, strömt Verbrennungsluft aus dem Kurbelgehäuse 4 in den Brennraum 3. In die überströmende Verbrennungsluft führt das Kraftstoffventil 18 eine benötigte Kraftstoffmenge x zu. Beim Aufwärtshub des Kolbens 5 wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum 3 verdichtet und im Bereich des oberen Totpunkts OT des Kolbens 5 von einer in den Brennraum 3 einragenden Zündkerze 17 gezündet. Die Verbrennung beschleunigt den Kolben 5 zum Kurbelgehäuse 4. Beim Abwärtshub öffnet das Kolbenhemd 19 den Auslaß ε und die Abgase entweichen aus dem Brennraum 3.
In 3 ist der Verbrennungsmotor 1 perspektivisch und teilweise geschritten gezeigt. Anstatt des kombinierten Druck-Tempezatur-Sensors 39 ist bei dem in 3 gezeigten Verbrennungsmotor 1 ein Drucksensor 29 und ein separater Temperatursensor 30 vorgesehen. Die Sensoren 29, 30 sind am Kurbelgehäuse 4 angeordnet.
Die 4 und 5 zeigen mögliche Anordnungen des Temperatursensors 30 in einer Wand 44 des Kurbelgehäuses 4. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Temperatursensor 30 in einer Öffnung 45 in der Wand 44 des Kurbelgehäuses 4 angeordnet. Der Temperatursensor 30 ist dadurch mit der Temperatur des im Kurbelgehäuse 4 vorhandenen Gases beaufschlagt. Der Temperatursensor 30 mißt direkt die Gastemperatur im Kurbelgehäuse 4.
Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Temperatursensor 30 in einer Vertiefung 46 in der Wand 44 angeordnet. Die Vertiefung 46 ist zum Inneren des Kurbelgehäuses 4 geschlossen ausgebildet. Der Temperatursensor 30 mißt die Kurbelgehäusetemperatur T₀ als mittlere Temperatur der Wand 44 des Kurbelgehäuses 4. Der Temperatursensor 30 ist vom Inneren des Kurbelgehäuses 4 getrennt. Eine Abdichtung des Kurbelgehäuses 4 im Bereich des Temperatursensors 30 kann dadurch entfallen.
Wie 3 zeigt ist in dem Ansaugkanal 34 als Drosselelement eine drehbar gelagerte Drosselklappe 26 angeordnet. Die Drosselklappe 26 ist mit einer Drosselwelle 35 gelagert. An der Drosselwelle 35 ist ein Drehwinkelsensor 27 angeordnet, über den die Position der Drosselklappe 26 ermittelt werden kann. Die Stellung der Drosselklappe 26 beeinflußt die Luftmenge, die durch den Einlaß 9 ins Kurbelgehäuse 4 einströmen kann.
Auf der Kurbelwelle 7 ist ein Generator 31 angeordnet. Der Generator 31 ist als Universalgenerator ausgebildet. Aus dem Signal des Generators 31 kann die Stellung der Kurbelwelle 7, also der Kurbelwellenwinkel α, ermittelt werden. Auf der Kurbelwelle 7 ist außerdem ein Lüfterrad 24 festgelegt. Am Umfang des Lüfterrads 24 ist ein Zündmodul 25 angeordnet. Das Lüfterrad 24 trägt zwei Polschuhe 32, die die Zündspannung im Zündmodul 25 induzieren. Der Generator 31 kann das Zündmodul 25 ersetzen, so daß der Verbrennungsmotor 1 nur einen Generator 31 und kein Zündmodul 25 besitzt. Die für die Zündung notwendige Spannung wird dann im Generator 31 erzeugt. Der Zylinder 2 besitzt ein Dekompressionsventil 28, das in den Brennraum 3 ragt und den Druck im Brennraum 3 beim Starten des Verbrennungsmotors 1 verringert, so daß das Anwerfen des Verbrennungsmotors 1 erleichtert ist.
Der Verbrennungsmotor 1 besitzt eine Steuerung 33, die mit dem Zündmodul 25 verbunden ist. Die Steuerung 33 kann auch am Zündmodul 25 integriert sein. Wie in 3 schematisch gezeigt ist, ist die Steuerung 33 mit dem Generator 31, dem Temperatursensor 30, dem Drucksensor 29, dem Drehwinkelsensor 27, einer Steuerleitung 23 des Kraftstoffventils 18 und mit der Zündkerze 17 verbunden. Das Kraftstoffventil 18 ist über eine Kraftstoffleitung 22 mit einem Kraftstofftank verbunden. Zwischen dem Kraftstofftank und dem Kraftstoffventil sind vorzugsweise eine Kraftstoffpumpe und ein Druckspeicher angeordnet. Die zugeführte Kraftstoffmenge kann durch Öffnen und Schließen des Kraftstoffventils 18 über die Steuerleitung 23 gesteuert werden.
In 6 ist der Druck p im Kurbelgehäuse 4 über dem Kurbelwellenwinkel α gezeigt. Der Druck p steigt beim Abwärtshub des Kolbens 5 zunächst an. Beim Kurbelwellenwinkel ES schließt der Einlaß 9 ins Kurbelgehäuse 4. Anschließend öffnen beim Kurbelwellenwinkel ÜÖ die Überströmkanäle 11 und 12 zum Brennraum 3. Kurz nach dem Kurbelwellenwinkel ÜÖ fällt der Druck p im Kurbelgehäuse 4 ab. Der Kolben 5 bewegt sich bis zum unteren Totpunkt UT zum Kurbelgehäuse 4 und anschließend wieder in Richtung auf den Brennraum 3. Beim Kurbelwellenwinkel ÜS werden die Überströmfenster 14, 15 vom Kolbenhemd 19 geschlossen. Anschließend öffnet der Einlaß 9 ins Kurbelgehäuse 4 beim Kurbelwellenwinkel EÖ. Zwischen dem Schließen des Einlasses 9 und dem Öffnen der Überströmfenster 14, 15 beim Abwärtshub des Kolbens 5 ist das Kurbelgehäuse 4 weder mit dem Einlaß 9 noch mit dem Brennraum 3 verbunden. Im Kurbelgehäuse 4 befindet sich ein abgeschlossenes Volumen von Verbrennungsluft. Beim Kurbelwellenwinkel α₁, der zwischen dem Schließen des Einlasses ES und dem Öffnen der Überströmfenster ÜÖ liegt, mißt der Drucksensor 29 einen Druck p₁ im Kurbelgehäuse 4. Beim Aufwärtshub des Kolbens 5 ist das Kurbelgehäuse 4 zwischen dem Schließen der Überströmfenster ÜS und dem Öffnen des Einlasses EÖ abgeschlossen. Bei einem Kurbelwellenwinkel α₂ während der Expansion des Kurbelgehäuses 4 mißt der Drucksensor 29 einen zweiten Druck p₂ im Kurbelgehäuse 4. Demnach ist eine erste Druckmessung beim Kompressionshub, also beim Abwärtshub des Kolbens 5, und eine zweite Druckmessung beim Expansionshub, also beim Aufwärtshub des Kolbens 5, vorgesehen.
In 7 ist der Druck p im Kurbelgehäuse 4 über dem Volumen V des Kurbelgehäuses 4 aufgetragen. Wie 7 zeigt, erfolgt die Messung der Drücke p₁ und p₂ im Kurbelgehäuse 4 zu gleichen Kurbelwellenwinkeln, bei denen das Volumen V des Kurbelgehäuses 4 gleich groß ist. Die Druckdifferenz zwischen den beiden Kurbelwellenwinkel α₁ und α₂ ist auf die in den Brennraum 3 übertretende Verbrennungsluftmenge Δm zurückzuführen. Der Druck kann jedoch auch bei Kurbelwellenwinkeln α gemessen werden, bei denen das Volumen V des Kurbelgehäuses 4 unterschiedlich groß ist. In den 6 und 7 ist beispielhaft eine Druckmessung bei einem Kurbelwellenwinkel α₁' gezeigt, bei dem das Kurbelgehäuse 4 ein Volumen V' besitzt, das kleiner als das Volumen V beim Kurbelwellenwinkel α₂ ist.
In 8 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Kraftstoffmenge x zur Erreichung eines vorgegebenen Lambda-Werts A im Brennraum 3 gezeigt. Im Schritt 51 wird der Druck p₁ bei einem ersten Kurbelwellenwinkel α₁ , der Druck p₂ bei einem zweiten Kurbelwellenwinkel α₂ , die zugehörigen Temperaturen T₁ und T₂ im Kurbelgehäuse 4 und die Drehzahl N gemessen. Die Kurbelwellenwinkel α₁ und α₂ liegen dabei, wie in den 6 und 7 gezeigt, zwischen dem Schließen des Einlasses ES und dem Öffnen der Überströmkanäle ÜÖ bzw. zwischen dem Schließen der Überströmkanäle ÜS und dem Öffnen des Einlasses EÖ. Die beiden Kurbelwellenwinkel α₁ und α₂ sind so gewählt, daß zu beiden Kurbelwellenwinkel α₁ , α₂ das Volumen V des Kurbelgehäuses 4 gleich groß ist. Das Volumen V' des Kurbelgehäuses 4 kann bei den beiden Kurbelwellenwinkel α₁ und α₂ auch unterschiedlich sein. In diesem Fall muß das Volumen des Kurbelgehäuses 4 sowohl beim ersten Kurbelwellenwinkel α₁ als auch beim zweiten Kurbelwellenwinkel α₂ bekannt sein. Beide Volumina fließen dann in die Berechnung der übergetretenen Verbrennungsluftmenge Δm ein. Aus der gemessenen Drehzahl N wird die Anzahl der Arbeitsspiele A bestimmt. Bei dem in 1 bis 3 gezeigten Zweitaktmotor entspricht die Anzahl der Arbeitsspiele A der Drehzahl, da bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 7 Verbrennungsluft in den Brennraum 3 übertritt. Bei einem Viertaktmotor ergibt sich die Anzahl der Arbeitsspiele A aus der Gleichung A=N/2, wobei A die Anzahl der Arbeitsspiele und N die Drehzahl ist. Bei einem Viertaktmotor tritt nur bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle Verbrennungsluft in den Brennraum ein.
Anstatt des Schritts 51 kann auch der Schritt 51' vorgesehen sein. Im Schritt 51' wird neben dem Druck p₁ bei dem ersten Kurbelwellenwinkel α₁ , dem Druck p₂ bei dem zweiten Kurbelwellenwinkel α₂ und der Drehzahl N eine mittlere Kurbelgehäusetemperatur T₀ gemessen. Die Kurbelgehäusetemperatur T₀ kann als Gastemperatur des im Kurbelgehäuse 4 eingeschlossenen Gases gemessen werden. Die mittlere Kurbelgehäusetemperatur T₀ kann jedoch auch als Wandtemperatur des Kurbelgehäuses 4 oder des Zylinders 2 gemessen werden. Die Messung der mittleren Kurbelgehäusetemperatur T₀ erfolgt dabei in einem Bereich des Kurbelgehäuses 4, in dem eine mittlere, repräsentative Temperatur herrscht, der also nicht beispielsweise durch Verdampfung von Kraftstoff oder durch einströmende Verbrennungsluft stark gekühlt wird oder in dem eine lokale Erwärmung, beispielsweise durch Reibung bewegter Teile, vorliegt. Eine lokale Erwärmung kann insbesondere im Bereich von Lagern der Kurbelwelle 7 vorliegen. Insbesondere erfolgt die Messung der Kurbelgehäusetemperatur in einem Bereich, in dem ein guter Temperaturübergang vom Kurbelgehäuseinneren zur Wand des Kurbelgehäuses gegeben ist. Die Anordnung des Temperatursensors ist entsprechend geeignet zu wählen. Auch bei Messung mehrerer Temperaturen T₁ , T₂ anstatt einer mittleren Temperatur T₀ ist eine entsprechende Anordnung in einem Bereich, in dem eine repräsentative Temperatur herrscht, vorteilhaft. Aus der mittleren Kurbelgehäusetemperatur T₀ können die Temperaturen T₁ und T₂ berechnet werden. Hierzu wird eine polytrope Zustandsänderung im Kurbelgehäuse 4 zwischen den Kurbelwellenwinkeln α₁ und α₂ angenommen. Der Polytropenexponent n wird für den spezifischen Verbrennungsmotor 1 ermittelt und kann beispielsweise in einem Kennfeld hinterlegt sein.
Im Schritt 52 wird aus den gemessenen Druckwerten p₁ , p₂ und den gemessenen oder aus der mittleren Kurbelgehäusetemperatur T₀ berechneten Temperaturwerten T₁ und T₂ die Verbrennungsluftmenge Δm bestimmt. Die Verbrennungsluftmenge Δm wird nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten, nämlich nach dem idealen Gasgesetz berechnet, und zwar anhand der Temperaturen T₁ und T₂ bei den Kurbelwellenwinkeln α₁ und α ₂ , des Volumens V des Kurbelgehäuses 4 bei den Kurbelwellenwinkeln α ₁ und α₂ und anhand der idealen Gaskonstante. Dabei ist die Verbrennungsluftmenge Δm proportional zum Volumen V und zur Differenz der Quotienten aus dem Druck p₁ , p₂ und der Temperatur T₁ , T₂ zu den beiden Kurbelwellenwinkeln α ₁ und α ₂ . Aus der pro Arbeitsspiel übertretenden Verbrennungsluftmenge Δm wird der Luftmassenstrom m nach der Gleichung m=Δm*A/60 bestimmt, wobei m der Luftmassenstrom pro Sekunde, Δm die in dem Arbeitsspiel übergetretene Verbrennungsluftmenge und A die Anzahl der Arbeitsspiele pro Minute ist.
Im nächsten Schritt 53 wird der zu erreichende Lambda-Wert λ in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur T bestimmt. Für den Kaltstart ist ein fetteres Gemisch gewünscht, so daß bei niedrigen Temperaturen T ein anderer Lambda-Wert vorgegeben wird. Im Schritt 54 wird anhand des berechneten Luftmassenstroms m und des gewünschten Lambda-Werts λ die zuzuführende Kraftstoffmenge x festgelegt. Die Ermittlung der zuzuführenden Kraftstoffmenge x kann anstatt anhand des Luftmassenstroms m, also anhand der pro Sekunde übertretenden Luftmenge, auch anhand der pro Arbeitsspiel übertretenden Verbrennungsluftmenge Δm erfolgen.
In 9 ist ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der benötigten Kraftstoffmenge x gezeigt. Im Schritt 55 wird bei einem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel α₃ der Druck p₃ im Kurbelgehäuse 4 gemessen. Der Kurbelwellenwinkel α ₃ ist dabei so gewählt, daß das Kurbelgehäuse 4 gegenüber dem Einlaß 9 und dem Brennraum 3 verschlossen ist. Der Kurbelwellenwinkel α ₃ liegt demnach zwischen dem Schließen des Einlasses ES und dem Öffnen der Überströmkanäle ÜÖ oder zwischen dem Schließen der Überströmkanäle ÜS und dem Öffnen des Einlasses EÖ. Über das Zündmodul 25 wird die Drehzahl N der Kurbelwelle 7 ermittelt. Die Drehzahl N kann auch über den Generator 31 ermittelt werden. Außerdem wird die mittlere Temperatur T₀ im Kurbelgehäuse 4 gemessen. Im nächsten Schritt 56 wird der gemessene Druckwert p₃ anhand der gemessenen Temperatur T₀ korrigiert. Mit dem korrigierten Druckwert p₃ ' wird im nächsten Schritt 57 der Luftmassenstrom m aus einem Kennfeld ermittelt. In dem Kennfeld ist der Luftmassenstrom m über der Drehzahl N und über dem Druck p₃ im Kurbelgehäuse 4 bei einem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel α hinterlegt. Für jeden Kurbelwellenwinkel α₃ ergibt sich ein anderes Kennfeld, so daß die Messung des Drucks p₃ bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 7 zum gleichen Zeitpunkt, also beim gleichen Kurbelwellenwinkel α ₃ erfolgt.
Im nächsten Schritt 58 wird anhand der gemessenen mittleren Temperatur T₀ der gewünschte Lambda-Wert A bestimmt. Auch hier ist ein anderer Lambda-Wert für den Kaltstart, also für geringe Temperaturen T des Verbrennungsmotors 1, vorgesehen. Im Schritt 59 wird die Kraftstoffmenge x ermittelt, die für die Erreichung des gewünschten Lambda-Werts λ bei dem ermittelten Luftmassenstrom m benötigt wird. Die ermittelte Kraftstoffmenge x wird bei der folgenden Umdrehung der Kurbelwelle 7 bzw. beim folgenden Arbeitsspiel A in den Brennraum 3 zugeführt. Liegt der Kurbelwellenwinkel α₃ vor dem Öffnen der Überströmkanäle 10 und 11, so kann die ermittelte Kraftstoffmenge x auch direkt bei diesem Arbeitsspiel über das Kraftstoffventil 18 eingebracht werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die ermittelte Kraftstoffmenge x erst bei einem späteren, beispielsweise beim übernächsten auf die Druckmessung folgenden Arbeitsspiel, zuzuführen.
Die Ermittlung der zuzuführenden Kraftstoffmenge x und die Steuerung des Kraftstoffventils 18 erfolgt sowohl bei dem Verfahren nach 8 als auch bei dem Verfahren nach 9 durch die Steuerung 33.
10 zeigt schematisch ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Verbrennungsluftmenge Δm. Im Schritt 71 werden der Druck p₁ beim Kurbelwellenwinkel α₁ , der Druck p₂ beim Kurbelwellenwinkel α₂ und die mittlere Temperatur T₀ gemessen. Der Polytropenexponent n wird aus einem Kennfeld abgelesen. Im Schritt 72 wird die Druckdifferenz Δp als Differenz der Drücke p₁ und p₂ berechnet. Es kann ein Schritt 73 vorgesehen sein, in dem die Druckdifferenz Δp anhand der gemessenen Temperatur T₀ korrigiert wird. Im Schritt 74 wird die Verbrennungsluftmenge Δm aus der korrigierten Druckdifferenz Δp', der Temperatur T₀ , dem Polytropenexponent n, dem Kurbelgehäusevolumen V und der Gaskonstante R bestimmt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß im Schritt 74 die Verbrennungsluftmenge Δm direkt aus der Druckdifferenz Δp bestimmt wird. Der Schritt 73 entfällt in diesem Fall. Die Bestimmung der Verbrennungsluftmenge Δm erfolgt dabei über ein Kennfeld. Auch bei diesem Verfahren erfolgt die Ermittlung der Verbrennungsluftmenge Δm durch die Steuerung 33.
Neben der über das Kraftstoffventil 18 zugeführten Kraftstoffmenge x steuert die Steuerung 33 auch den Zündzeitpunkt ZZP, zu dem die Zündkerze 17 das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum 3 zündet. In 11 ist die Steuerung des Zündzeitpunkts in Abhängigkeit der Drehzahl N der Kurbelwelle 7 und in Abhängigkeit des Luftmassenstroms m, der hier in Prozent des maximalen Luftmassenstroms angegeben ist, gezeigt. Im Leerlauf LL ist die Drehzahl N gering und der Luftmassenstrom m gering. Im Leerlauf LL ist ein später Zündzeitpunkt gewünscht. Der Zündzeitpunkt ist in 11 als Kurbelwellenwinkel α aufgetragen. Im Leerlauf findet die Zündung kurz vor dem oberen Totpunkt OT, also bei einem Kurbelwellenwinkel α von etwas weniger als 360° statt. Bei Vollast VL ist ein früherer Zündzeitpunkt gewünscht. Bei hohen Drehzahlen N und einem hohen Luftmassenstrom m erfolgt die Zündung bereits erheblich vor dem oberen Totpunkt OT bei einem Kurbelwellenwinkel α zwischen 320° und 330°. Beim Beschleunigen des Verbrennungsmotors 1 aus dem Leerlauf LL wird die Drosselklappe 26 geöffnet. Daraufhin steigt der Luftmassenstrom m. Die Drehzahl N steigt demgegenüber erst langsam an. Dies ist in 11 durch die Beschleunigungskurve 40 verdeutlicht. Beim Beschleunigen ist vorgesehen, daß der Zündzeitpunkt bereits beim Öffnen der Drosselklappe 26, also bei einem Anstieg des Luftmassenstroms m auf einen früheren Zeitpunkt verschoben wird, obwohl die Drehzahl N noch nicht merklich angestiegen ist. Dadurch wird das Drehmoment des Verbrennungsmotors 1 vergrößert und das Beschleunigen erleichtert. Beim Verzögern aus der Vollast VL ist ein umgekehrtes Verhalten vorgesehen. Beim Schließen der Drosselklappe 26 aus der Vollast VL nimmt der Luftmassenstrom m sofort ab. Die Drehzahl N sinkt demgegenüber erst langsam ab. Es ist vorgesehen, beim Absinken des Luftmassenstroms m auch bei hohen Drehzahlen N den Zündzeitpunkt auf einen späteren Zeitpunkt zu verstellen, wie die Kurve 41 zeigt. Dadurch ergibt sich ein verbessertes Laufverhalten des Verbrennungsmotors.
Sowohl bei der Berechnung des Luftmassenstroms m als auch bei der Ermittlung des Luftmassenstroms m aus einem Kennfeld kann zusätzlich ein Drehwinkelsensor 27 vorgesehen sein, so daß auch bei einem Ausfall des Drucksensors 29 oder 39 eine gesteuerte Kraftstoffzufuhr möglich ist.
In 12 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 61 gezeigt, bei dem die benötigte Kraftstoffmenge x über den Druck im Kurbelgehäuse 4 ermittelt wird. Der Verbrennungsmotor 61 ist ein Einzylinder-Viertaktmotor. Für den Verbrennungsmotor 61 verwendete Bezugszeichen entsprechen den für den Verbrennungsmotor 1 verwendeten Bezugszeichen, soweit es sich um vergleichbare Bauteile handelt.
Der Verbrennungsmotor 61 besitzt einen Ansaugkanal 34, in dem eine Drosselklappe 26 mit einer Drosselwelle 35 schwenkbar gelagert ist. In den Ansaugkanal 34 mündet ein Kraftstoffventil 18. Das Kraftstoffventil 18 ist mit einer Steuerleitung 23 mit einer Steuerung 33 verbunden. Die Steuerung 33 ist auch mit einem Drucksensor 29 und einem Temperatursensor 30 verbunden. Der Ansaugkanal 34 mündet an einem Brennraumeinlaß 65, der von einem Ventil 64 gesteuert ist. Das Ventil 64 ist über eine in 12 nicht gezeigte, in einem Nockenraum 63 drehbar gelagerte Nockenwelle angetrieben. Die Nockenwelle ist beispielsweise über ein Getriebe oder einen Riementrieb an die Bewegung der Kurbelwelle 7 gekoppelt. Das Ventil 64 kann jedoch auch über einen Kipphebel gesteuert sein. Aus dem Brennraum 3 führt ein in 12 gestrichelt gezeichneter Auslaß 8, der ebenfalls ventilgesteuert ist.
Der Temperatursensor 30 ist am Kurbelgehäuse 4 angeordnet und mißt die Temperatur im Kurbelgehäuse 4. Das Kurbelgehäuse 4 ist über einen Kanal 62 mit dem Nockenraum 63 verbunden. In dem Kanal 62 können die Stößelstangen zur Betätigung von Kipphebeln für die Ventilsteuerung geführt sein. Sind die Ventile des Verbrennungsmotors 61 nockengesteuert, so kann in dem Kanal 62 das Getriebe oder der Riementrieb zum Antrieb der Nockenwelle geführt sein. Da der Nockenraum 63 über den Kanal 62 mit dem Kurbelgehäuse 4 strömungsverbunden ist, herrscht im Nockenraum 63 und im Kurbelgehäuse 4 etwa der gleiche Druck. Der im Nockenraum 63 angeordnete Drucksensor 29 mißt damit den Druck im Kurbelgehäuse 4.
Der Nockenraum 63 ist über einen Verbindungskanal 66 mit dem Ansaugkanal 34 verbunden. Der Verbindungskanal 66 ist benachbart zum Brennraumeinlaß 65 angeordnet. Über den Kanal 62, den Nockenraum 63 und den Verbindungskanal 66 ist das Kurbelgehäuse 4 mit dem Ansaugkanal 34 strömungsverbunden. Der sich im Kurbelgehäuse einstellende Druck ist vom Druck im Ansaugkanal abhängig. Allerdings ergibt sich aufgrund der Kolbenbewegung ein anderer Druckverlauf. Der Verbindungskanal 66 stellt eine Drossel dar, die ebenfalls unterschiedliche Drücke im Kurbelgehäuse 4 und Ansaugkanal 34 zur Folge hat.
Die in den Brennraum 3 eintretende Verbrennungsluftmenge kann anhand des gemessenen Druck- und Temperaturwerts und der Drehzahl N des Verbrennungsmotors und/oder der Stellung der Drosselklappe 26 ermittelt werden. Hierzu kann an der Drosselwelle 35 zusätzlich ein in 12 nicht gezeigter Drehwinkelsensor angeordnet sein.
Auch bei dem in 12 gezeigten, als Viertaktmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor 61 kann die Ermittlung der zuzuführenden Kraftstoffmenge x über ein Kennfeld gemäß dem in 9 gezeigten Verfahren erfolgen. Hierzu wird ein Druck p₃ bei einem Kurbelwellenwinkel α₃ im Kurbelgehäuse 4 gemessen. Außerdem wird über den Temperatursensor 30 die mittlere Temperatur T₀ im Kurbelgehäuse 4 gemessen. Der gemessene Druckwert p₃ wird anhand der gemessenen Temperatur T₀ korrigiert und der Luftmassenstrom m anhand der Drehzahl N und anhand des korrigierten Druckwerts p₃ ' ermittelt.
Der Drucksensor 29 kann auch im Kanal 62 oder im Kurbelgehäuse 4 angeordnet sein. Anstatt eines separaten Drucksensors 29 und eines zusätzlichen Temperatursensor 30 kann auch ein kombinierter Druck-Temperatur-Sensor eingesetzt werden.
In 13 ist der Ablauf des Verfahrens allgemein dargestellt. Demnach werden aus mindestens einer gemessenen Temperatur T und mindestens einem gemessenen Druck p der Luftmassenstrom m ermittelt, beispielsweise über ein Kennfeld oder durch Berechnung. Anhand des ermittelten Luftmassenstroms und der Drehzahl N des Verbrennungsmotors 1, 61 werden beispielsweise über Kennfelder einzustellende Werte für Betriebsparameter, beispielsweise für die zuzuführende Kraftstoffmenge x oder den Zündzeitpunkt ZZP, ermittelt. Vorteilhaft wird zur Ermittlung der einzustellenden Werte außerdem die gemessene Temperatur T, insbesondere die mittlere Kurbelgehäusetemperatur T₀ herangezogen. Die ermittelten Werte werden dann durch die Steuerung 33 eingestellt. Es ist auch möglich, den Zündzeitpunkt ZZP und die zuzuführende Kraftstoffmenge x direkt aus dem gemessenen Druck p zu bestimmen.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor (1, 61) einen Zylinder (2) besitzt, in dem ein Brennraum (3) ausgebildet ist, wobei der Brennraum (3) von einem hin- und hergehenden Kolben (5) begrenzt ist, der eine in einem Kurbelgehäuse (4) drehbar gelagerte Kurbelwelle (7) antreibt, mit einem Ansaugkanal (34), mit einem Auslaß (8) aus dem Brennraum (3), mit einer Einrichtung zur Zufuhr von Kraftstoff und einer Einrichtung zur Steuerung mindestens eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors, wobei im Betrieb des Verbrennungsmotors (1, 61) der Druck (p₁, p₂, p₃) im Kurbelgehäuse (4) gemessen wird und anhand des gemessenen Drucks (p₁, p₂, p₃) im Kurbelgehäuse (4) die durch den Brennraum (3) strömende Luftmenge ermittelt wird, und anhand der ermittelten Luftmenge ein einzustellender Wert für mindestens einen steuerbaren Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (1, 61) ermittelt und der ermittelte Wert für den Betriebsparameter eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsparameter der Zündzeitpunkt (ZZP) ist und daß der Zündzeitpunkt (ZZP) anhand des ermittelten Luftmassenstroms (m) und der Drehzahl (N) des Verbrennungsmotors (1, 61) ermittelt wird, wobei beim Beschleunigen der Zündzeitpunkt (ZZP) bei einem Anstieg des Luftmassenstroms (m) auf einen früheren Zeitpunkt verschoben wird, obwohl die Drehzahl (N) noch nicht merklich angestiegen ist, und wobei beim Verzögern beim Absinken des Luftmassenstroms (m) auch bei hohen Drehzahlen (N) der Zündzeitpunkt (ZZP) auf einen späteren Zeitpunkt verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (p₁, p₂, p₃) im Kurbelgehäuse (4) als Relativdruck relativ zu einem Referenzdruck gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (T) im Kurbelgehäuse (4) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperatur (T) die mittlere Kurbelgehäusetemperatur (T₀) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (p₁, p₂, p₃) und die Temperatur (T₁, T₂, T₀) im Kurbelgehäuse (4) von einem kombinierten Druck-Temperatur-Sensor (39) gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (p₁, p₂, p₃) im Kurbelgehäuse (4) bei einem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel (α₁, α₁', α₂, α₃) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (p₁, p₂, p₃) im Kurbelgehäuse (4) bei einem Kurbelwellenwinkel (α₁, α₁' α₂, α₃) gemessen wird, zu dem das Kurbelgehäuse (4) geschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl (N) des Verbrennungsmotors (1, 61) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftmenge über ein Kennfeld ermittelt wird, das die Luftmenge als Luftmassenstrom (m) in Abhängigkeit der Drehzahl (N) und des Drucks (p₃) im Kurbelgehäuse (4) bei dem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel (α₃) angibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftmenge über ein Kennfeld ermittelt wird, das die Luftmenge als Luftmassenstrom (m) in Abhängigkeit der Drehzahl (N) und eines Differenzdrucks (Δp) zwischen einem ersten Druck (p₁) bei einem ersten Kurbelwellenwinkel (α₁) und einem zweiten Druck (p₂) bei einem zweiten Kurbelwellenwinkel (α₂) angibt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (p₃, Δp) mit der gemessenen Temperatur (T₀) korrigiert und der Luftmassenstrom (m) anhand des korrigierten Drucks (p₃', Δp') aus dem Kennfeld ermittelt wird.
Verfahren nacheinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Brennraum (3) strömende Luftmenge berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (p₁, p₂) im Kurbelgehäuse (4) bei einem ersten Kurbelwellenwinkel (α₁, α₁') während der Kompressionsphase und bei einem zweiten Kurbelwellenwinkel (α₂) während der Expansionsphase im Kurbelgehäuse (4) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen (V) des Kurbelgehäuses (4) bei dem ersten Kurbelwellenwinkel (α₁) dem Volumen (V) des Kurbelgehäuses (4) bei dem zweiten Kurbelwellenwinkel (α₂) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurbelgehäuse (4) bei dem ersten Kurbelwellenwinkel (α₁') und bei dem zweiten Kurbelwellenwinkel (α₂) unterschiedliche Volumina (V, V') besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (1) ein Zweitaktmotor mit mindestens einem Überströmkanal (10, 11) ist, über den die in das Kurbelgehäuse (4) angesaugte Verbrennungsluft in den Brennraum (3) übertritt und daß die Berechnung der Luftmenge über die Berechnung der bei einem Arbeitsspiel (A) in den Brennraum (3) übertretenden Verbrennungsluftmasse (Δm) über das ideale Gasgesetz anhand des Drucks (p₁) und der Temperatur (T₁) bei dem ersten Kurbelwellenwinkel (α₁, α₁'), des Drucks (p₂) und der Temperatur (T₂) bei dem zweiten Kurbelwellenwinkel (α₂) des Volumens (V, V') des Kurbelgehäuses (4) bei den beiden Kurbelwellenwinkeln (α₁, α₁' , α₂) und der Gaskonstante erfolgt und die Luftmenge als Luftmassenstrom (m) anhand der Gleichung m=Δm*A/60 berechnet wird, wobei A die Anzahl der Arbeitsspiele pro Minute und m der Luftmassenstrom pro Sekunde ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (T₁) bei dem ersten Kurbelwellenwinkel (α₁, α₁') und die Temperatur (T₂) bei dem zweiten Kurbelwellenwinkel (α₂) aus der gemessenen mittleren Kurbelgehäusetemperatur (T₀) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (T₁) bei dem ersten Kurbelwellenwinkel (α₁, α₁') und die Temperatur (T₂) bei dem zweiten Kurbelwellenwinkel (α₂) aus der gemessenen mittleren Kurbelgehäusetemperatur (T₀) über eine polytrope Zustandsänderung berechnet werden und daß der Polytropenexponent (n) für die Zustandsgleichung über ein Kennfeld ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftmenge anhand der Druckdifferenz (Δp) aus dem Druck (p₁) bei dem ersten Kurbelwellenwinkel (α₁, α₁') und dem Druck (p₂) bei dem zweiten Kurbelwellenwinkel (α₂) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsparameter die bei einem Arbeitsspiel (A) des Verbrennungsmotors (1, 61) zuzuführende Kraftstoffmenge (x) zur Erreichung eines vorgegebenen Lambda-Werts (A) im Brennraum (3) ist.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Kraftstoffmenge (x) bei dem auf die Druckmessung folgenden Arbeitsspiel (A) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß beim Starten des Verbrennungsmotors (1, 61) anhand der gemessenen Temperatur (T₀) ein vorgegebener Lambda-Wert (A) für Kaltstart oder ein vorgegebener Lambda-Wert (A) für Warmstart gewählt und die dem gewählten Lambda-Wert (A) entsprechende Kraftstoffmenge (x) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff über ein Kraftstoffventil (18) eingebracht wird und die benötigte Kraftstoffmenge (x) durch Steuerung des Öffnungszeitpunkts und des Schließzeitpunkts des Kraftstoffventils (18) dosiert wird.
Verfahren nacheinem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündzeitpunkt (ZZP) anhand der gemessenen Drehzahl (N) und des ermittelten Luftmassenstroms (m) über ein Kennfeld bestimmt wird.