DE102007031396A1

DE102007031396A1 - Verfahren zum Betrieb eines Zweitaktmotors

Info

Publication number: DE102007031396A1
Application number: DE102007031396A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Bähner; Andreas Dr.-Ing. Lingen; Georg Dr.-Ing. Maier; Heinrich Dipl.-Ing. Leufen; Stanislaw Cichon; Leo Kiessling
Original assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Current assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-07-06
Also published as: JP2009013986A; US20090012699A1; CN101338722B; US7894974B2; CN101338722A; DE102007031396B4; JP5264328B2

Abstract

Ein Verfahren zum Betrieb eines Zweitaktmotors (1) sieht vor, dass eine Steuerung (22) den Zündzeitpunkt (ZZP) über ein Kennfeld festlegt. Das Kennfeld gibt den Zündzeitpunkt (ZZP) in Abhängigkeit der Drehzahl (n) für mindestens einen ersten und einen zweiten Betriebszustand an. Um einen stabilen Betrieb des Zweitaktmotors (1) zu erreichen, ist vorgesehen, dass im zweiten Betriebszustand mindestens in einem ersten Drehzahlbereich der Zündzeitpunkt (ZZP) für einen Motorzyklus (z) anhand einer Drehzahl (n) und anhand der Anzahl der Motorzyklen (z) seit der letzten Verbrennung (50, 51, 52, 53, 54, 55, 56) festgelegt wird. Es ist vorgesehen, dass der Zündzeitpunkt (ZZP) in einem ersten Betriebszustand in einem zweiten Drehzahlbereich in Abhängigkeit einer Drehzahl (n) so festgelegt wird, dass der Zündzeitpunkt (ZZP) nicht vor einem frühesten Zündzeitpunkt für diese Drehzahl (n) liegt, wobei der früheste Zündzeitpunkt bei sinkender Drehzahl (n) nach "spät" verschoben ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Zweitaktmotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Aus der DE 38 17 471 C1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Zweitaktmotors bekannt, bei dem der Zündzeitpunkt über ein Kennfeld festgelegt wird. Für niedrige Drehzahlen besitzt das Kennfeld zwei Kennlinien, nämlich eine Kennlinie für den Startbetrieb und eine weitere Kennlinie für den normalen Betrieb des Zweitaktmotors. Beim Starten wird mit steigender Drehzahl der Zündzeitpunkt nach "früh" verstellt. Im Betrieb wird bei niedrigen Drehzahlen der Zündzeitpunkt bei sinkender Drehzahl nach "früh" verstellt.
Mit dieser Kennliniensteuerung des Zündzeitpunkts lässt sich eine sehr einfache Steuerung des Zündzeitpunkts realisieren. Es hat sich jedoch gezeigt, dass mit dieser sehr einfachen Steuerung des Zündzeitpunkts der Motor im Betrieb ausgehen kann, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Zweitaktmotors anzugeben, mit dem auf einfache Weise ein stabiles Laufverhalten des Motors erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
Es wurde festgestellt, dass ein Ausgehen des Zweitaktmotors dadurch bedingt sein kann, dass der Zündzeitpunkt bei niedrigen Drehzahlen auf so frühe Zeitpunkte verstellt wird, dass ein Rückschlag erfolgt, d. h., dass der Kolben vor Erreichen des oberen Totpunkts wieder auf den unteren Totpunkt beschleunigt wird, die Kurbelwelle also in Gegenrichtung angetrieben wird. Dies führt zu einem sofortigen Ausgehen des Verbrennungsmotors. Es wurde festgestellt, dass ein Rückschlag nicht nur vom Zündzeitpunkt und der Drehzahl abhängt, sondern auch davon, wie stark die Verbrennung im Brennraum ist. Die Stärke der Verbrennungen im Brennraum hängt davon ab, wie gut der Brennraum gespült wurde. Es wurde festgestellt, dass ein Maß dafür, wie gut der Brennraum gespült wurde, die Anzahl der Motorzyklen seit der letzten Verbrennung ist. Wurde der Brennraum über mehrere Motorzyklen gespült, hat also bereits über mehrere Motorzyklen keine Verbrennung mehr stattgefunden, ist eine gute Brennraumspülung gegeben. Hier ist mit einer sehr starken Verbrennung zu rechnen und die Rückschlagswahrscheinlichkeit ist vergleichsweise hoch. Liegt die letzte Verbrennung erst eine oder einige wenige Motorzyklen zurück, ist der Brennraum noch nicht so gut gespült, so dass sich keine so starke Verbrennung ausbilden kann. Die Rückschlagswahrscheinlichkeit ist hier geringer.
Zur Festlegung des Zündzeitpunkts ist deshalb vorgesehen, sowohl eine Drehzahl als auch die Anzahl der Motorzyklen seit der letzten Verbrennung heranzuziehen. Dadurch kann der Zündzeitpunkt für einen Motorzyklus optimal so gewählt werden, dass der Zündzeitpunkt möglichst früh liegt, gleichzeitig aber sichergestellt ist, dass kein Rückschlag erfolgen kann. Ob eine Verbrennung stattgefunden hat oder nicht, kann auf einfache Weise aus dem Drehzahlverlauf des Verbrennungsmotors ermittelt werden. Dadurch sind für die Durchführung des Verfahrens keine zusätzlichen Einrichtungen wie zusätzliche Sensoren oder dgl. notwendig.
Vorteilhaft wird der Zündzeitpunkt für jeden Motorzyklus in dem ersten Drehzahlbereich anhand einer Drehzahl und anhand der Anzahl der Motorzyklen seit der letzten Verbrennung festgelegt. Dadurch kann für jeden Motorzyklus ein optimaler Zündzeitpunkt ermittelt werden. Eine Festlegung des Zündzeitpunkts kann auf einfache Weise dadurch erfolgen, dass das Kennfeld in dem ersten Drehzahlbereich mehrere Kennlinien aufweist, die den Zündzeitpunkt in Abhängigkeit der Drehzahl angeben. Anhand der Motorzyklen seit der letzten Verbrennung wird vorteilhaft eine Kennlinie zur Festlegung des Zündzeitpunkts für einen folgenden Motorzyklus ausgewählt. Anhand der ausgewählten Kennlinie wird der Zündzeitpunkt in Abhängigkeit einer Motordrehzahl ermittelt.
Es hat sich gezeigt, dass ein Ausgehen des Zweitaktmotors dadurch bedingt sein kann, dass in einem Betriebszustand bei niedriger Drehzahl bei weiterem Absinken der Drehzahl eine weitere Verstellung des Zündzeitpunkts nach "früh" dazu führen kann, dass ein Rückschlag erfolgt. Es ist vorgesehen, dass das Kennfeld in einem zweiten Drehzahlbereich für den ersten und den zweiten Betriebszustand bei gleichen Drehzahlen unterschiedliche Zündzeitpunkte angibt, wobei der zweite Drehzahlbereich von einer oberen Grenzdrehzahl begrenzt ist, wobei in dem ersten Betriebszustand der Zündzeitpunkt bei von der oberen Grenzdrehzahl des Drehzahlbereichs absinkender Drehzahl nach "früh" verstellt wird und in dem zweiten Betriebszustand der Zündzeitpunkt bei von der oberen Grenzdrehzahl des Drehzahlbereichs absinkender Drehzahl nach "spät" verstellt wird. Um einen Rückschlag zu vermeiden, ist vorgesehen, dass im ersten Betriebszustand der Zündzeitpunkt in dem zweiten Drehzahlbereich in Abhängigkeit einer Drehzahl so festgelegt wird, dass der Zündzeitpunkt nicht vor einem frühesten Zündzeitpunkt für diese Drehzahl liegt, wobei der früheste Zündzeitpunkt bei sinkender Drehzahl nach "spät" verschoben ist.
Der früheste Zündzeitpunkt wird durch eine Kurve beschrieben, die bei sinkenden Drehzahlen zu späteren Zündzeitpunkten hin abfällt. Je niedriger die Drehzahl des Verbrennungsmotors ist, desto später muss der Zündzeitpunkt gewählt werden, um einen Rückschlag zu vermeiden. Dies wird durch den frühesten Zündzeitpunkt, der einen Grenzwert darstellt, vor dem der Zündzeitpunkt nicht liegen darf, auf einfache Weise erreicht.
Die Festlegung des Zündzeitpunkts derart, dass der Zündzeitpunkt nicht vor einem frühesten Zündzeitpunkt für die jeweilige Drehzahl liegt, kann bei einem Verfahren zum Betrieb eines Zweitaktmotors vorgesehen sein, bei dem in einem Betriebszustand der Zündzeitpunkt für einen Motorzyklus anhand einer Drehzahl und anhand der Anzahl der Motorzyklen seit der letzten Verbrennung festgelegt wird. Die Festlegung des Zündzeitpunkts unter Beachtung eines frühesten Zündzeitpunkts kann jedoch auch für Zweitaktmotoren vorgesehen sein, bei denen der Zündzeitpunkt nicht anhand der Anzahl der Motorzyklen seit der letzten Verbrennung festgelegt wird.
Es ist vorgesehen, dass der erste Drehzahlbereich mindestens teilweise mit dem zweiten Drehzahlbereich zusammenfällt. Insbesondere sind der erste Drehzahlbereich und der zweite Drehzahlbereich identisch. Der erste Drehzahlbereich ist dabei der Drehzahlbereich, in dem der Zündzeitpunkt für einen Motorzyklus anhand einer Drehzahl und anhand der Anzahl der Motorzyklen seit der letzten Verbrennung festgelegt wird. Der zweite Drehzahlbereich ist der Drehzahlbereich, in dem das Kennfeld für den ersten und den zweiten Betriebszustand bei gleichen Drehzahlen unterschiedliche Zündzeitpunkte angibt, also insbesondere der Drehzahlbereich, in dem mindestens zwei Kennlinien vorgesehen sind.
Vorteilhaft wird der Zündzeitpunkt anhand einer momentanen Drehzahl bestimmt. Die momentane Drehzahl ist dabei die zu einem vorgegebenen Zeitpunkt eines Motorzyklus herrschende Drehzahl. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Zündzeitpunkt anhand der mittleren Drehzahl eines Motorzyklus be stimmt wird. Die Bestimmung des Zündzeitpunkts anhand einer mittleren Drehzahl ist ausreichend genau. Die mittlere Drehzahl kann auf einfache Weise durch Mittelwertbildung erfasst werden. Es wird keine schnelle Auswerteelektronik benötigt, wie sie für die Bestimmung einer momentanen Drehzahl notwendig sein kann.
Vorteilhaft ist der erste Betriebszustand der Startbetrieb und der erste Drehzahlbereich ist von einer unteren Startdrehzahl und einer oberen Startdrehzahl begrenzt. Die untere Startdrehzahl ist dabei insbesondere die Startdrehzahl, unterhalb derer kein Starten möglich ist. Unterhalb dieser Drehzahl soll kein Zündfunke ausgelöst werden. Die obere Startdrehzahl ist die Drehzahl, bei der sichergestellt ist, dass der Motor selbsttätig läuft. Das ist die Drehzahl, die über eine Starteinrichtung, beispielsweise über ein Anwerfseil, auch von einem geübten Benutzer nicht erreicht werden kann. Wenn die obere Startdrehzahl überschritten ist, läuft der Zweitaktmotor. Der zweite Betriebszustand ist insbesondere der Normalbetrieb.
Es ist vorgesehen, dass die Steuerung von einer Kennlinie für den ersten Betriebszustand auf eine Kennlinie für den zweiten Betriebszustand umschaltet, wenn mindestens eine Umschaltbedingung erfüllt ist. Vorteilhaft müssen zum Umschalten mehrere Umschaltbedingungen erfüllt sein. Insbesondere ist eine Umschaltbedingung der Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer. Es kann vorgesehen sein, dass eine Umschaltbedingung das Durchlaufen einer vorgegebenen Anzahl von Motorzyklen ist. Zweckmäßig ist eine Umschaltbedingung das Erreichen einer Umschaltdrehzahl. Die Umschaltdrehzahl ist dabei insbesondere eine festgelegte Drehzahl, die von 2.300 U/min bis 3.500 U/min beträgt. Es kann vorgesehen sein, dass eine Umschaltbedingung ist, dass eine vorgegebene Anzahl von Verbrennungen stattgefunden hat. Es ist vorgesehen, dass zur Ermittlung, ob eine Verbrennung stattgefunden hat, die Drehzahldifferenz zwischen zwei Motorzyklen ermittelt wird. Zur Ermittlung, ob eine Verbrennung stattgefunden hat, kann jedoch auch ein Drehzahlanstieg bezogen auf eine Zeitspanne ermittelt werden. Dabei kann der Drehzahlanstieg eines gesamten Motorzyklus herangezogen werden, es kann jedoch auch zweckmäßig sein, nur einen Teilabschnitt eines Motorzyklus, insbesondere einen Bereich des Motorzyklus zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt des Kolbens, auszuwerten.
Vorteilhaft wird als Umschaltbedingung das Durchlaufen einer vorgegebenen Anzahl von Motorzyklen, insbesondere 15 bis 30 Motorzyklen, das Überschreiten einer Umschaltdrehzahl und zusätzlich das Vorliegen einer vorgegebenen Anzahl von Verbrennungen herangezogen.
Es ist vorgesehen, dass die Steuerung von einer Kennlinie für den zweiten Betriebszustand auf eine Kennlinie für den ersten Betriebszustand umschaltet, wenn mindestens eine Zurückschaltbedingung erfüllt ist. Zweckmäßig ist eine Zurückschaltbedingung die Betätigung eines Stoppschalters des Zweitaktmotors. Dadurch ist sichergestellt, dass der Zündzeitpunkt beim Starten des Motors immer anhand der Kennlinie für den Startzustand ermittelt wird. Vorteilhaft ist eine Zurückschaltbedingung das Unterschreiten einer Selbsterhaltungs drehzahl. Sinkt die Drehzahl unter eine Selbsterhaltungsdrehzahl, so reicht die kinetische Energie des Zweitaktmotors nicht aus, um bei frühen Zündzeitpunkten einen Rückschlag zu vermeiden. Hier ist vorgesehen, dass auf die Kennlinie für den ersten Betriebszustand umgeschaltet wird, der Zündzeitpunkt also nach "spät" verstellt wird, so dass sichergestellt ist, dass der Kolben beschleunigt wird und kein Rückschlag erfolgen kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische, teilgeschnittene Darstellung eines Zweitaktmotors,
2 ein Kennfeld, das den Zündzeitpunkt in Abhängigkeit der Drehzahl angibt,
3 einen exemplarischen Verlauf der Drehzahl über der Zeit,
4 ein Ausführungsbeispiel eines Kennfelds, das den Zündzeitpunkt in Abhängigkeit der Drehzahl angibt,
5 ein Diagramm, das die Drehzahl über der Zeit beim Starten des Motors exemplarisch zeigt,
6 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung des Verfahrens.
Der in 1 gezeigte Zweitaktmotor 1 ist insbesondere der Antriebsmotor in einem handgeführten Arbeitsgerät wie einer Motorsäge, einem Trennschleifer, einem Freischneider oder dgl.. Der Zweitaktmotor 1 besitzt einen Zylinder 2, in dessen Innenraum ein Brennraum 3 ausgebildet ist. Der Brennraum 3 wird von einem Kolben 5 begrenzt, der über ein Pleuel 6 eine in einem Kurbelgehäuse 4 drehbar gelagerte Kurbelwelle 7 rotierend antreibt. In den Brennraum 3 ragt eine Zündkerze 12, die mit einer Steuerung 22 des Zweitaktmotors 1 verbunden ist. Aus dem Brennraum 3 führt ein Auslass 8, durch den Abgase entweichen können. Der Zweitaktmotor 1 besitzt insgesamt vier Überströmkanäle 10 und 11, von denen zwei in 1 gezeigt sind. Die vier Überströmkanäle sind symmetrisch zu einer den Auslass 8 teilenden Mittelebene angeordnet. Es sind zwei auslassnahe Überströmkanäle 11 und zwei einlassnahe Überströmkanäle 10 vorgesehen. Die einlassnahen. Überströmkanäle 10 sind benachbart zu einem Einlass 9 angeordnet, der vom Kolben 5 schlitzgesteuert ist und der dem Kurbelgehäuse 4 Verbrennungsluft zuführt. An dem Einlass 9 mündet ein Ansaugkanal 14, in dem eine Drosselklappe 13 schwenkbar gelagert ist. Die Stellung der Drosselklappe 13 kann vom Bediener insbesondere über einen Gashebel verändert werden. Die Überströmkanäle 10 und 11 verbinden den Brennraum 3 im Bereich des in 1 gezeigten unteren Totpunkts des Kolbens 5 mit dem Kurbelgehäuse 4, so dass vorkomprimierte Verbrennungsluft aus dem Kurbelgehäuse 4 über die Überströmkanäle 10 und 11 in den Brennraum 3 einströmen kann.
In einem der einlassnahen Überströmkanäle 10 ist ein Ventil 15 angeordnet, an dem eine Kraftstoffleitung 16 mündet. Über das Ventil 15 wird dem einlassnahen Überströmkanal 10 Kraftstoff zugeführt. Das Ventil 15 besitzt eine Steuerungsleitung 17, die ebenfalls mit der Steuerung 22 verbunden ist. Das Kraftstoffventil 15 wird dadurch von der Steuerung 22 gesteuert.
Der aus dem Kurbelgehäuse 4 ragende Abschnitt der Kurbelwelle 7 trägt einen Generator 18, der elektrische Energie bereitstellt. Über das Ausgangssignal des Generators 18 kann außerdem die Drehzahl n der Kurbelwelle 7 ermittelt werden. Auch der Generator 18 ist mit der Steuerung 22 verbunden. Der Generator 18 liefert dabei sowohl ein Steuerungssignal, nämlich die Drehzahl n, als auch Energie zur Energieversorgung der Steuerung 22. Auf der Kurbelwelle 7 ist außerdem ein Lüfterrad 21 drehfest gehalten. An dem Lüfterrad 21 sind Polschuhe 19 angeordnet, die mit einem im Lüfterrad 21 gehaltenen Magneten in Verbindung stehen. Die Polschuhe 19 induzieren an einem am Umfang des Lüfterrads 21 angeordneten Zündmodul 20 eine Spannung, die zur Spannungsversorgung der Zündkerze 12 dienen kann. Es kann vorgesehen sein, dass die gesamte Energie zum Betrieb des Zweitaktmotors 1 von dem Zündmodul 20 bereitgestellt wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass die gesamte Energie, also auch die Energie für die Zündkerze 12, vom Generator 18 zur Verfügung gestellt wird.
Um die Zündung zu unterbrechen, besitzt der Zweitaktmotor 1 einen Stoppschalter 23. Der Stoppschalter 23 ist ebenfalls mit der Steuerung 22 verbunden. Vorteilhaft unterbricht der Stoppschalter 23 direkt die Energieversorgung der Zündkerze 12. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Stoppschalter 23 nur mit der Steuerung 22 verbunden ist und die Steuerung 22 eine Unterbrechung der Energiezufuhr bewirkt.
Im Betrieb wird beim Aufwärtshub des Kolbens 5 des Zweitaktmotors 1 Verbrennungsluft durch den Einlass 9 ins Kurbelgehäuse 4 angesaugt. Beim darauf folgenden Abwärtshub des Kolbens 5 wird die Verbrennungsluft verdichtet, und beim Öffnen der Überströmkanäle 10 und 11 zum Brennraum 3 hin strömt die Verbrennungsluft aus dem Kurbelgehäuse 4 in den Brennraum 3 über. Über das Ventil 15 kann während des Überströmens der Verbrennungsluft Kraftstoff zudosiert werden. Dabei kann zunächst weitgehend kraftstofffreie Verbrennungsluft in den Brennraum 3 strömen, um die Abgase aus dem vorangegangenen Motorzyklus aus dem Brennraum 3 auszuspülen. Es kann auch vorgesehen sein, dass Kraftstoff durch den Überströmkanal 10 ins Kurbelgehäuse 4 zugeführt wird. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum 3 wird beim Aufwärtshub des Kolbens 5 verdichtet und im Bereich des oberen Totpunkts zu einem von der Steuerung 22 festgelegten Zündzeitpunkt ZZP von der Zündkerze 12 gezündet. Die Verbrennung des Gemischs im Brennraum 3 beschleunigt den Kolben 5 in Richtung auf das Kurbelgehäuse 4. Sobald der Auslass 8 geöffnet wird, strömen die Abgase durch den Auslass 8 aus dem Brennraum 3.
Zur Steuerung des Zündzeitpunkts ZZP des Zweitaktmotors 1 ist das in 2 gezeigte Kennfeld vorgesehen. Das Kennfeld gibt den Zündzeitpunkt ZZP in Abhängigkeit der Drehzahl n des Zweitaktmotors 1 an. Die Darstellung ist dabei so gewählt, dass die Drehzahlachse etwa den Nullpunkt des Zündzeitpunkts ZZP angibt, also einen Zündzeitpunkt ZZP im oberen Totpunkt des Kolbens 5. Höhere, also auf der Achse in 2 weiter oben liegende Werte für den Zündzeitpunkt ZZP bedeuten eine Verstellung des Zündzeitpunkts ZZP zu früheren Zeitpunkten hin.
Das in 2 gezeigte Kennfeld gibt eine erste Kennlinie 24 für einen ersten Betriebszustand, nämlich den Startbetrieb, sowie eine zweite Kennlinie 25 für einen zweiten Betriebszustand, nämlich den Normalbetrieb, an. Die Kennlinie 24 für den Startbetrieb endet bei einer oberen Startdrehzahl n_start,max an der Kennlinie 25 für den Normalbetrieb. Die Kennlinie 24 für den Startbetrieb ist nach unten von einer unteren Startdrehzahl n_start,min begrenzt. Unterhalb dieser unteren Startdrehzahl n_start,min wird kein Zündfunke ausgelöst. Für den Drehzahlbereich zwischen der unteren Startdrehzahl n_start,min und der oberen Startdrehzahl n_start,max sind jeder Drehzahl n zwei Zündzeitpunkte zugeordnet, nämlich ein erster Zündzeitpunkt auf der Kennlinie 24 für den Startbetrieb und ein zweiter Zündzeitpunkt auf der Kennlinie 25 für den Normalbetrieb. Der Zündzeitpunkt der Kennlinie 25 liegt dabei immer vor dem Zündzeitpunkt der Kennlinie 24 für den Startbetrieb.
Die Kennlinie 24 für den Startbetrieb ist als mit steigender Drehzahl ansteigender Ast ausgebildet. Dabei ist ein annähernd kontinuierlicher Anstieg der Kennlinie 24 vorteilhaft. Oberhalb der oberen Startdrehzahl n_start,max ist ein konstanter Verlauf der Kennlinie 25 für den Betriebszustand vorgesehen. Bei ausgehend von der oberen Startdrehzahl n_start,max absinkenden Drehzahlen n steigt die Kennlinie 25 zunächst zu früheren Zündzeitpunkten an. Daran schließt sich ein absteigender Ast 26 der Kennlinie 25 an, der annähernd parallel zur Kennlinie 24 für den Startbetrieb verläuft. Auf dem absteigenden Ast 26 werden die Zündzeitpunkte bei absinkender Drehzahl zu späteren Zündzeitpunkten verstellt.
Die Kennlinie 24 liegt in einem Zündbereich 27 für den Startbetrieb, der sich zwischen der unteren Startdrehzahl n_start,min und der oberen Startdrehzahl n_start,max erstreckt. Zu früheren Zündzeitpunkten hin wird der Zündbereich 27 von einem Zündbereich 28 für den Betrieb begrenzt. Der Zündbereich 28 für den Betrieb gibt den Bereich an, in dem der Zündzeitpunkt im Betriebszustand liegen soll, um einen Rückschlag zu vermeiden. Der Zündbereich 28 ist durch ein Band definiert, das mit steigender Drehzahl n zu früheren Zündzeitpunkten ZZP hin ansteigt und mit fallender Drehzahl n zu späteren Zündzeitpunkten ZZP abfällt. Die Zündbereiche 27 und 28 geben die Bereiche des Kennfelds an, in denen Kennlinien 24 für den Startbetrieb und Kennlinien 25 für den Betriebszustand liegen sollen. Dabei ist eine für den Zweitaktmotor 1 geeignete Kennlinie 24, 25 innerhalb des jeweiligen Bereichs 27, 28 zu wählen.
Der Zündbereich 28 für den Betrieb ist zu früheren Zündzeitpunkten hin von einem Rückschlagbereich 29 begrenzt. Die Begrenzung des Rückschlagbereichs 29 zu späteren Zündzeitpunkten hin, also im Kennfeld aus 2 nach unten hin, entspricht der Form des Zündbereichs 28 für den Betriebszustand. Der Rückschlagbereich 29 wird bei niedrigeren Drehzahlen n bei späteren Zündzeitpunkten erreicht als bei höheren Drehzahlen n. Oberhalb der oberen Startdrehzahl n_start,max kann der Rückschlagbereich 29 nicht mehr erreicht werden. Wie 2 zeigt, hält der absteigende Ast 26 der Kennlinie 25 für den Betrieb zum Rückschlagbereich 29 einen Abstand ein, um sicherzustellen, dass kein Rückschlag stattfindet. Der absteigende Ast 26 legt für jede Drehzahl einen frühesten Zündzeitpunkt ZZP fest, wobei der früheste Zündzeitpunkt ZZP entsprechend dem absteigenden Ast 26 der Kennlinie 25 zu niedrigeren Drehzahlen n zu späteren Zündzeitpunkten ZZP hin verschoben ist. Durch diesen Verlauf des absteigenden Asts 26 ist sichergestellt, dass sich kein Rückschlag ergibt.
In 3 ist ein exemplarischer Verlauf der Drehzahl n des Zweitaktmotors 1 über der Zeit t gezeigt. Ein Motorzyklus z erstreckt sich jeweils von einem lokalen Minimum der Kurve bis zum nächsten lokalen Minimum. Der Motorzyklus z ist dabei zwischen zwei aufeinanderfolgenden oberen Totpunkten des Kolbens 5 eingezeichnet. Der Motorzyklus z kann beispielsweise auch zwischen zwei aufeinanderfolgenden unteren Totpunkten des Kolbens 5, also zwischen zwei lokalen Maxima, gemessen werden. Wie das Diagramm zeigt, schwankt die Drehzahl n über einen Motorzyklus z sehr stark. Ausgehend vom oberen Totpunkt wird der Kolben 5 zunächst stark beschleunigt. Im Bereich des unteren Totpunkts wird ein Maximum der Drehzahl n erreicht. Bis zum nächsten Erreichen des oberen Totpunkts sinkt die Drehzahl n dann wieder ab.
In der Darstellung in 3 findet nach dem zweiten dargestellten Zyklus eine Verbrennung 50 statt. Die Drehzahl n steigt bis zum darauf folgenden Zyklus auf eine momentane Drehzahl n₁ an. Im folgenden Zyklus findet eine Verbrennung 51 statt. Daraufhin steigt die Drehzahl erneut stark an. Bei der folgenden Umdrehung ist keine Verbrennung gegeben. Erst beim übernächsten Zyklus findet eine Verbrennung 52 statt. Auch die Verbrennung 52 findet bei der momentanen Drehzahl n₁ statt. Beim darauf folgenden Zyklus findet eine Verbrennung 53 statt, allerdings bei einer Drehzahl, die höher als die Drehzahl n₁ liegt. Erst beim vierten darauf folgenden Zyklus findet die nächste Verbrennung 54 statt.
Bei den Verbrennungen 51 und 53 ist der Brennraum 3 des Zweitaktmotors 1 weniger gut gespült als bei der Verbrennung 52 oder der Verbrennung 54. Die Verbrennungen 51 und 53 sind deshalb weniger stark als die Verbrennungen 52 oder 54. Die Gefahr eines Rückschlags ist bei den Verbrennungen 51 und 53 deshalb geringer, da diese Verbrennungen langsamer ablaufen. Bei der Verbrennung 52 und insbesondere bei der Verbrennung 54 ist die Gefahr eines Rückschlags erhöht.
Die unterschiedliche Gefahr eines Rückschlags aufgrund unterschiedlich guter Spülung des Brennraums 3 kann durch das in 4 gezeigte Kennfeld berücksichtigt werden. Das Kennfeld zeigt eine Kennlinie 34 für den Startbetrieb und eine Kennlinie 35 für den Normalbetrieb, deren Verlauf dem Verlauf der Kennlinien 24 und 25 aus 2 etwa entsprechen kann. Zwischen der unteren Startdrehzahl n_start,min und der oberen Startdrehzahl n_start,max gibt sowohl die Kennlinie 35 als auch die Kennlinie 34 jeweils einen Zündzeitpunkt ZZP an. Wie 4 zeigt, besitzt die Kennlinie 35 mehrere absteigende Äste 36, 36', 36'', 36''', die alle annähernd den gleichen Verlauf haben. Der Ast 36 kann dabei dem Ast 26 aus 2 entsprechen.
Die Kennlinie 36''' liegt am unteren Bereich eines Zündbereichs 38 für den Betrieb benachbart zu einem Zündbereich 37 für den Start des Zweitaktmotors 1. Die Kennlinien 36'', 36' und 36 sind gegenüber der Kennlinie 36''' in Richtung des Pfeils 39 unterschiedlich weit in Richtung des Rückschlagbereichs 40 verschoben. Es ist vorgesehen, zur Festlegung des Zündzeitpunkts ZZP für einen Motorzyklus z einen der absteigenden Äste der Kennlinie 35 für den Betrieb, von denen in 4 die Kennlinien 36, 36', 36'' und 36''' exemplarisch bezeichnet sind, in Abhängigkeit der Anzahl der Motorzyklen ohne Verbrennung auszuwählen.
Bei der in 3 gezeigten Verbrennung 51 wurde der Brennraum 3 nur über einen Motorzyklus gespült. Die Gefahr eines Rückschlags ist hier nur gering, so dass der Zündzeitpunkt für die Verbrennung 51 auf dem absteigenden Ast 36 gewählt wird. Bei der Verbrennung 52 wurde der Brennraum 3 über zwei Motorzyklen gespült, so dass hier das Risiko eines Rückschlags vergrößert ist. Der Zündzeitpunkt ZZP der Verbrennung 52 wird deshalb auf einem absteigenden Ast 36' gewählt, der in einem mittleren Bereich des Zündbereichs 38 liegt. Bei der Verbrennung 54 wurde der Brennraum 3 sehr gut gespült. Deshalb ist bei der Verbrennung 54 das Risiko eines Rückschlags sehr hoch, so dass der Zündzeitpunkt für die Verbrennung 54 auf einer Kennlinie 36''' gewählt wird, die am unteren Rand des Zündbereichs 38 liegt.
Der Zündzeitpunkt ZZP wird in Abhängigkeit der Drehzahl n₁ und der ausgewählten Kennlinie 36, 36', 36''' festgelegt. Wie in 4 gestrichelt eingezeichnet ist, kann auch oberhalb der oberen Startdrehzahl n_start,max die Bestimmung des Zündzeitpunkts durch Auswahl einer Kennlinie 35, 35', 35'' in Abhängigkeit der Anzahl der Motorzyklen, zu denen keine Verbrennung erfolgt ist, erfolgen. Die Lage der Zündbereiche 37 und 38 und des Rückschlagbereichs 40 entspricht der Lage der Zündbereiche 27 und 28 und des Rückschlagbereichs 29 aus 2.
Im Betrieb des Zweitaktmotors 1 wird zwischen den Kennlinien 24, 34 für den Startbetrieb und den Kennlinien 25, 35 für den Normalbetrieb umgeschaltet. Der Ablauf des Verfahrens zum Betrieb des Zweitaktmotors 1 ist in 6 schematisch gezeigt. Im Verfahrensschritt 60 wird der Zweitaktmotor 1 gestartet. Der Zündzeitpunkt ZZP wird anhand einer ersten Kennlinie 24, 34 für den Startbetrieb bestimmt. Wenn der Motor läuft, wird auf die zweite Kennlinie 25, 35 für den normalen Betrieb umgeschaltet. Das Umschalten kann anhand von einer oder mehreren Umschaltbedingungen erfolgen. Vorteilhaft erfolgt das Umschalten erst nach einer vorgegebenen Anzahl von Motorzyklen. Vorteilhaft müssen 15 bis 30 Motorzyklen durchlaufen sein, bevor die Steuerung 22 auf die Kennlinie 25, 35 zum Normalbetrieb umschaltet. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist vorgesehen, dass die Drehzahl n die in 2 gezeigte Umschaltdrehzahl n_umschalt überschritten hat. Die Umschaltdrehzahl n_umschalt liegt dabei vorteilhaft unterhalb der oberen Startdrehzahl n_start,max. Die Umschaltdrehzahl n_umschalt beträgt vorteilhaft 2.300 U/min bis 3.500 U/min. Zusätzlich oder alternativ ist als Umschaltbedingung vorgesehen, dass eine vorgegebene Anzahl von Verbrennungen stattgefunden hat, die sicherstellen, dass der Zweitaktmotor 1 im Leerlauf läuft.
Die Ermittlung, ob eine Verbrennung stattgefunden hat, ist schematisch in 5 gezeigt. Hier ist ein typischer Drehzahlverlauf beim Starten des Motors gezeigt. Die ersten vier Zyklen des Zweitaktmotors 1 werden vom Bediener beim Betätigen der Starteinrichtung, insbesondere beim Ziehen an einem Anwerfseil erreicht. Anschließend findet eine Verbrennung 55 zu Beginn des Motorzyklus z₁ statt. Dadurch, dass eine Verbrennung 55 stattgefunden hat, ist die Drehzahldifferenz Δn zwischen dem Beginn des Motorzyklus z₁ und dem Beginn des darauf folgenden Motorzyklus z₂ sehr groß. Die Drehzahldifferenz Δn kann als Maß dafür dienen, ob eine Verbrennung stattgefunden hat. Alternativ kann als Maß dafür, ob eine Verbrennung stattgefunden hat, die Drehzahldifferenz Δn auf die zugehörige Zeitdifferenz Δt bezogen werden. Zu einem späteren Zeitpunkt findet eine weitere Verbrennung 56 statt. Wie in 5 gezeigt ist, kann eine Drehzahldifferenz Δn' bezogen auf eine Zeitdifferenz Δt' auch über einen Teilbereich eines Motorzyklus erfasst werden, beispielsweise zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt des Kolbens 5, da in diesem Bereich der Drehzahlanstieg sehr stark ist. Auch der Drehzahlanstieg bezogen auf die Zeit liefert ein Maß dafür, ob eine Verbrennung stattgefunden hat.
Liegen eine oder mehrere dieser Umschaltbedingungen vor, ist vorgesehen, dass die Steuerung 22 im Verfahrensschritt 61 von der Kennlinie 24 oder 34 auf die Kennlinie 25 oder 35 umschaltet. Im Betrieb wird der Zündzeitpunkt ZZP anhand der Kennlinie 25 oder der Kennlinie 35 ermittelt. Bei Ermittlung des Zündzeitpunkts anhand der Kennlinie 35 ist in dem Drehzahlbereich zwischen der unteren Startdrehzahl n_start,min und der oberen Startdrehzahl n_start,max vorgesehen, dass zusätzlich die Anzahl der vorangegangenen Motorzyklen, zu denen keine Verbrennung stattgefunden hat, ermittelt wird. Der normale Betrieb ist durch den Verfahrensschritt 62 gekennzeichnet. Im darauf folgenden Verfahrensschritt 63 ist vorgesehen, dass die Steuerung 22 von der zweiten Kennlinie 25, 35 zurück auf die erste Kennlinie 24, 34 schaltet. Dies kann beispielsweise dann sein, wenn die in 2 eingezeichnete Selbsterhaltungsdrehzahl n_selbsterhalt unterschritten wird. Außerdem ist vorgesehen, dass die Steuerung 22 auf die Kennlinie 24, 34 zum Starten umschaltet, wenn der Stoppschalter 23 vom Bediener betätigt wird.
Die in den 2 und 4 angegebene Drehzahl n, anhand derer der Zündzeitpunkt ZZP ermittelt wird, kann die in 3 gezeigte momentane Drehzahl n₁, also eine Drehzahl zu einem vorgegebenen Zeitpunkt eines Motorzyklus, sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass als Drehzahl n eine in 3 gestrichelt eingezeichnete mittlere Drehzahl n_m herangezogen wird. Die mittlere Drehzahl n_m bezeichnet dabei eine mittlere Drehzahl eines Motorzyklus. In 3 ist der Verlauf der mittleren Drehzahl als Verbindung der sich ergebenden Drehzahlwerte für jeden Motorzyklus eingezeichnet.
Die gezeigten Verfahren zur Steuerung eines Zweitaktmotors und zur Bestimmung des Zündzeitpunkts ZZP können auch für andere Betriebszustände vorteilhaft sein. Die Festlegung eines frühesten Zündzeitpunkts und die Bestimmung des Zündzeitpunkts anhand der Anzahl der Motorzyklen, zu denen keine Verbrennung stattgefunden hat, kann im gleichen Drehzahlbereich oder in unterschiedlichen Drehzahlbereichen zum Einsatz kommen.
Das vorgeschlagene Verfahren kann auch bei einem Zweitaktmotor mit Spülvorlage eingesetzt werden, also einem Zweitaktmotor, dem über einen Gemischkanal Kraftstoff/Luft-Gemisch und über einen Luftkanal Spülvorlagenluft zugeführt wird. Zur Zufuhr von Kraftstoff kann auch ein Vergaser, insbesondere ein Membranvergaser vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3817471 C1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Zweitaktmotors mit einem Zylinder (2), in dem ein Brennraum (3) ausgebildet ist, der von einem hin- und hergehend gelagerten Kolben (5) begrenzt ist, wobei der Kolben (5) eine Kurbelwelle (7) rotierend antreibt, wobei in den Brennraum (3) eine Zündkerze (12) zur Zündung von Kraftstoff/Luft-Gemisch ragt, mit Einrichtungen zur Zufuhr von Kraftstoff und Verbrennungsluft in den Brennraum (3) und mit einer Steuerung (22), die den Zündzeitpunkt (ZZP) über ein Kennfeld festlegt, wobei das Kennfeld den Zündzeitpunkt (ZZP) in Abhängigkeit der Drehzahl (n) für mindestens einen ersten und eine zweiten Betriebszustand angibt, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebszustand mindestens in einem ersten Drehzahlbereich der Zündzeitpunkt (ZZP) für einen Motorzyklus (z) anhand der Drehzahl (n) und anhand der Anzahl der Motorzyklen (z) seit der letzten Verbrennung (50, 51, 52, 53, 54) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (ZZP) für jeden Motorzyklus (z) in dem ersten Drehzahlbereich anhand einer Drehzahl (n) und anhand der Anzahl der Motorzyklen (z) seit der letzten Verbrennung (50, 51, 52, 53, 54) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld in dem ersten Drehzahlbereich mehrere Kennlinien (36, 36', 36'', 36''') aufweist, die den Zündzeitpunkt (ZZP) in Abhängigkeit der Drehzahl (n) angeben, wobei anhand der Anzahl der Motorzyklen (z) seit der letzten Verbrennung (50, 51, 52, 53, 54) eine Kennlinie (36, 36', 36'', 36''') zur Festlegung des Zündzeitpunkts (ZZP) für einen folgenden Motorzyklus (z) ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld in einem zweiten Drehzahlbereich für den ersten und den zweiten Betriebszustand bei gleichen Drehzahlen (n) unterschiedliche Zündzeitpunkte (ZZP) angibt, wobei der zweite Drehzahlbereich von einer oberen Grenzdrehzahl begrenzt ist, wobei in dem ersten Betriebszustand der Zündzeitpunkt (ZZP) bei von der oberen Grenzdrehzahl des Drehzahlbereichs absinkender Drehzahl (n) nach "früh" verstellt wird und in dem zweiten Betriebszustand des Zündzeitpunkt (ZZP) bei von der oberen Grenzdrehzahl des Drehzahlbereichs absinkender Drehzahl (n) nach "spät" verstellt wird, und dass im ersten Betriebszustand der Zündzeitpunkt (ZZP) in dem zweiten Drehzahlbereich in Abhängigkeit einer Drehzahl (n) so festgelegt wird, dass der Zündzeitpunkt (ZZP) nicht vor einem frühesten Zündzeitpunkt (ZZP) für diese Drehzahl (n) liegt, wobei der früheste Zündzeitpunkt (ZZP) bei sinkender Drehzahl (n) nach "spät" verschoben ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drehzahlbereich mindestens teilweise mit dem zweiten Drehzahlbereich zusammenfällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (ZZP) anhand einer momentanen Drehzahl (n₁) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (ZZP) anhand einer mittleren Drehzahl (n_m) eines Motorzyklus (z) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betriebszustand der Startbetrieb ist und der erste Drehzahlbereich von einer unteren Startdrehzahl (n_start,min) und einer oberen Startdrehzahl (n_start,max) begrenzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Betriebszustand der Normalbetrieb ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (22) von einer Kennlinie (24, 34) für den ersten Betriebszustand auf eine Kennlinie (25, 35) für den zweiten Betriebszustand umschaltet, wenn mindestens eine Umschaltbedingung erfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltbedingung der Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltbedingung das Durchlaufen einer vorgegebenen Anzahl von Motorzyklen (z) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltbedingung das Erreichen einer Umschaltdrehzahl (n_umschalt) ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltdrehzahl (n_umschalt) eine festgelegte Drehzahl ist, die von 2.300 U/min bis 3.500 U/min beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltbedingung ist, dass eine vorgegebene Anzahl von Verbrennungen (55, 56) stattgefunden hat.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung, ob eine Verbrennung (55, 56) stattgefunden hat, die Drehzahldifferenz (Δn) zwischen zwei Motorzyklen (z₁, z₂) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung, ob eine Verbrennung (55, 56) stattgefunden hat, ein Drehzahlanstieg (Δn) bezogen auf eine Zeitspanne (Δt) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (22) von einer Kennlinie (25, 35) für den zweiten Betriebszustand auf eine Kennlinie (24, 34) für den ersten Betriebszustand umschaltet, wenn mindestens eine Zurückschaltbedingung erfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zurückschaltbedingung die Betätigung eines Stoppschalters (23) des Zweitaktmotors (1) ist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zurückschaltbedingung das Unterschreiten einer Selbsterhaltungsdrehzahl n_selbsterhalt) ist.