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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Zweitaktmotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
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Es ist bekannt, dass Zweitaktmotoren in den Viertaktbetrieb fallen können. In diesem Betriebszustand findet nur jede zweite Umdrehung der Kurbelwelle eine Verbrennung statt. In diesem Betriebszustand können sich erhöhte Abgaswerte des Zweitaktmotors ergeben. Außerdem kann es bei der Einstellung der zuzuführenden Kraftstoffmenge im Viertaktbetrieb zu Fehleinstellungen kommen. Es ist deshalb wünschenswert zu erkennen, ob bei jedem Motorzyklus des Verbrennungsmotors eine Verbrennung stattfindet.
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Aus der
DE 10 2005 002 273 A1 ist bekannt, dass der Viertaktbetrieb eine Auswirkung auf das Druckniveau im Kurbelgehäuse hat. Allein aus dem Druckniveau im Kurbelgehäuse kann jedoch nicht zuverlässig auf den Viertaktbetrieb geschlossen werden, da das Druckniveau auch durch andere Einflussfaktoren wie die Drehzahl oder weitere Motorparameter beeinflusst wird.
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Aus der
DE 10 2006 060 617 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Zweitaktmotors bekannt, bei dem der Luftmassenstrom durch den Brennraum aus dem Kurbelgehäusedruck ermittelt wird.
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Die
DE 699 38 564 T2 sieht ein Verfahren zur Erfassung von Motorfehlern durch Druckmessungen im Kurbelgehäuse vor. Hierzu wird der Kurbelgehäusedruck mit einem Grenzwert, der den momentanen Motorbetriebsbedingungen zugehörig ist, verglichen. Bei Überschreiten des Motorgrenzwerts wird eine Motorfehlfunktion, beispielsweise ein Zylinder- oder Kolbenfehler, erkannt.
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Die
US 5 284 118 A offenbart ein Verfahren zur Ermittlung der zugeführten Kraftstoffmenge für einen Zweitaktmotor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Zweitaktmotors zu schaffen, mit dem zuverlässig und ohne aufwendige Sensoren ermittelt werden kann, ob bei jedem Motorzyklus eine Verbrennung stattfindet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Es hat sich gezeigt, dass die Schwankungen des Kurbelgehäusedrucks eine zuverlässige Aussage darüber erlauben, ob bei jedem Motorzyklus eine Verbrennung stattfindet, oder ob Motorzyklen ohne Verbrennung stattfinden. Zur Erfassung der Schwankung des Kurbelgehäusedrucks sind lediglich Mittel zur Druckerfassung wie beispielsweise ein einfacher Drucksensor im Kurbelgehäuse notwendig. Dieser ist oft bereits vorhanden, so dass keine zusätzlichen Sensoren benötigt werden.
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Es hat sich gezeigt, dass der Kurbelgehäusedruck zu einem vorgegebenen Zeitpunkt eines Motorzyklus vergleichsweise konstant bleibt, wenn bei jedem Motorzyklus eine Verbrennung stattfindet. Finden dagegen bei einigen Motorzyklen keine Verbrennungen statt, so schwankt das Druckniveau im Kurbelgehäuse sehr stark. Anhand der Druckschwankung kann nicht nur ermittelt werden, ob bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle eine Verbrennung stattfindet, sondern auch, ob der Motorzyklus regelmäßig jede zweite Umdrehung nicht verbrennt, also im Viertaktbetrieb betrieben wird, oder ob eine andere Zahl von Motorzyklen mit Verbrennung und Motorzyklen ohne Verbrennung gegeben ist, beispielsweise jede dritte, jede vierte oder jede fünfte Umdrehung der Kurbelwelle eine Verbrennung stattfindet.
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Anhand des erkannten Musters von Motorzyklen mit und Motorzyklen ohne Verbrennung kann dann der Motor gesteuert werden.
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Vorteilhaft wird die Schwankung des Kurbelgehäusedrucks als Differenz des Kurbelgehäusedrucks zu einem Mittelwert des Kurbelgehäusedrucks ermittelt. Der Mittelwert des Kurbelgehäusedrucks kann beispielsweise ein Mittelwert aus mehreren aufeinanderfolgend gemessenen Werten des Kurbelgehäusedrucks sein. Vorteilhaft wird der Kurbelgehäusedruck bei jedem Motorzyklus beim gleichen Kurbelwellenwinkel gemessen. Dabei wird der Kurbelgehäusedruck insbesondere bei einem Kurbelwellenwinkel gemessen, bei dem das Kurbelgehäuse geschlossen ist. Insbesondere wird der Kurbelgehäusedruck beim Aufwärtshub des Kolbens nach dem Schließen des Überströmkanals und vor dem Öffnen des Einlasses gemessen. Es hat sich gezeigt, dass die Druckschwankung im Kurbelgehäuse aus der Druckschwankung im Brennraum resultiert, die über den Überströmkanal ins Kurbelgehäuse übertragen wird. Wird der Druck im Kurbelgehäuse nach dem Schließen des Überströmkanals und vor dem Öffnen des Einlasses gemessen, so ist die Druckschwankung im Kurbelgehäuse am deutlichsten, da der Brennraumdruck über den Überströmkanal ins Kurbelgehäuse übertragen wurde und der Einlass noch geschlossen ist, also noch keine frische Verbrennungsluft angesaugt wurde.
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Vorteilhaft wird aus der Schwankung des Kurbelgehäusedrucks ermittelt, ob der Motor im Viertaktbetrieb läuft. Bei erkanntem Viertaktbetrieb ist vorgesehen, dass die zugeführte Kraftstoffmenge verringert wird, bis kein Viertaktbetrieb mehr vorliegt. Um auszuschließen, dass die Druckschwankung im Kurbelgehäuse nicht durch nicht stattgefundene Verbrennungen, sondern durch andere Einflüsse, beispielsweise durch eine Änderung der Drehzahl oder dgl. erfolgt, ist vorgesehen, dass zusätzlich zum Kurbelgehäusedruck die Drehzahl des Motors und/oder der Luftaufwand des Motors überwacht und mit einem Grenzwert verglichen werden. Der Luftaufwand des Motors kann dabei auf einfache Weise ebenfalls aus dem Kurbelgehäusedrucksignal zu zwei vorgegebenen Kurbelwellenwinkeln vor dem Öffnen der Überströmkanäle und nach dem Öffnen der Überströmkanäle ermittelt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische teilgeschnittene Ansicht eines Zweitaktmotors,
- 2 ein Diagramm der Steuerzeiten des Zweitaktmotors aus 1,
- 3 ein Diagramm, das den Kurbelgehäusedruck über der Zeit angibt,
- 4 ein Diagramm, das die zugeführte Kraftstoffmenge über der Zeit angibt und
- 5 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt einen Zweitaktmotor 1, der als Einzylindermotor ausgebildet ist und der beispielsweise der Antriebsmotor in einem handgeführten Arbeitsgerät wie einer Motorsäge, einem Trennschleifer, einem Freischneider, einem Rasenmäher oder dgl. sein kann. Der Zweitaktmotor 1 besitzt einen Zylinder 2, in dem ein Brennraum 3 ausgebildet ist. Der Brennraum 3 ist von einem im Zylinder 2 hin- und hergehend gelagerten Kolben 5 begrenzt. Der Kolben 5 treibt über ein Pleuel 6 eine in einem Kurbelgehäuse 4 drehbar gelagerte Kurbelwelle 7 an. Im Bereich des in 1 gezeigten unteren Totpunkts des Kolbens 5 ist der Innenraum des Kurbelgehäuses 4 über insgesamt vier Überströmkanäle 17, von denen in 1 zwei gezeigt sind, mit dem Brennraum 3 verbunden. Die Überströmkanäle 17 münden über Überströmfenster 18 in den Brennraum 3. Aus dem Brennraum 3 führt ein Auslass 19 für Abgase. Ins Kurbelgehäuse 4 mündet ein vom Kolben 5 schlitzgesteuerter Einlass 11. Am Einlass 11 mündet ein Ansaugkanal 12, über den dem Zweitaktmotor 1 Verbrennungsluft zugeführt wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass über den Ansaugkanal 12 Kraftstoff/Luft-Gemisch ins Kurbelgehäuse 4 zugeführt wird. Im Ansaugkanal 12 ist eine Drosselklappe 13 schwenkbar gelagert, die zur Steuerung der zugeführten Luftmenge dient. An der Drosselklappe 13 ist ein Drosselklappensensor 14 angeordnet, über den die Stellung der Drosselklappe 13 ermittelt werden kann. Der Drosselklappensensor 14 kann jedoch auch entfallen.
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Zur Zufuhr von Kraftstoff ist ein Kraftstoffventil 15 vorgesehen, das im Ausführungsbeispiel in einen Überströmkanal 17 mündet. Das Kraftstoffventil 15 kann jedoch auch ins Kurbelgehäuse 4 oder in den Ansaugkanal 12 münden. Am Kurbelgehäuse 4 sind ein Temperatursensor 21 und ein Drucksensor 22 angeordnet. Der Temperatursensor 21, der Drucksensor 22 und das Kraftstoffventil 15 sind mit einer Steuerung 20 verbunden.
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An der Kurbelwelle 7 ist ein Generator 9 angeordnet, der der Steuerung 20 ein Drehzahlsignal liefert. Der Generator 9 kann außerdem die Energie zum Betrieb weiterer elektrischer Einrichtungen und für eine Zündkerze 16 liefern. Die Zündkerze 16 ragt in den Brennraum 3 ein und dient zur Zündung des Gemischs im Brennraum 3. Auf der Kurbelwelle 7 ist außerdem ein Lüfterrad 8 drehfest angeordnet. Am Außenumfang des Lüfterrads 8 ist ein Zündmodul 10 vorgesehen, in dem die Energie zum Betrieb der Zündkerze 16 induziert wird, wenn hierzu nicht der Generator 9 genutzt wird. Das Zündmodul 10 kann außerdem ebenfalls ein Drehzahlsignal liefern. Das Zündmodul 10 ist, wie auch der Generator 9, mit der Steuerung 20 verbunden.
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Im Betrieb wird dem Zweitaktmotor 1 ins Kurbelgehäuse 4 Verbrennungsluft zugeführt. Die Verbrennungsluft wird beim Abwärtshub des Kolbens 5 im Kurbelgehäuse 4 verdichtet und strömt im Bereich des unteren Totpunkts des Kolbens 5 über die Überströmkanäle 17 in den Brennraum 3 über. Beim Überströmen oder während dem Verdichten kann das Kraftstoffventil 15 der Verbrennungsluft Kraftstoff zuführen. Im Brennraum 3 wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch beim Aufwärtshub des Kolbens 5 verdichtet und im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens 5 von der Zündkerze 16 gezündet. Durch die Verbrennung des Gemischs im Brennraum 3 wird der Kolben 5 in Richtung auf das Kurbelgehäuse 4 beschleunigt. Sobald der Auslass 19 vom Kolben 5 geöffnet wird, entweichen die Abgase aus dem Brennraum 3. Es kann vorgesehen sein, dass der Zweitaktmotor 1 zusätzlich einen Luftkanal besitzt, über den in den Überströmkanälen 17 weitgehend kraftstofffreie Verbrennungsluft vorgelagert wird, um die Abgase vom nachströmenden Frischgemisch zu trennen.
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Die dem Zweitaktmotor 1 zuzuführende Kraftstoffmenge wird von der Steuerung 20 gesteuert. Hierzu wertet die Steuerung 20 die Drehzahl n desZweitaktmotors 1 aus. Um die zuzuführende Kraftstoffmenge x besser bestimmen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Steuerung 20 erkennt, wenn nicht bei jedem Motorzyklus eine Verbrennung im Brennraum 3 erfolgt.
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In 2 sind die Steuerseiten des Zweitaktmotors 1 gezeigt. Beim Abwärtshub des Kolbens 5 vom oberen Totpunkt OT öffnet zunächst der Einlass 11 zum Zeitpunkt ES. Anschließend öffnet der Auslass 19 zum Zeitpunkt AÖ. Bei weiterem Abwärtshub des Kolbens 5 öffnen die Überströmkanäle 17 zum Zeitpunkt ÜÖ. Im Aufwärtshub des Kolbens 5 werden die Fenster in umgekehrter Reihenfolge geschlossen und geöffnet. Zunächst schließen die Überströmkanäle 17 zum Zeitpunkt ÜS. Anschließend schließt der Auslass 19 zum Zeitpunkt AS. Dann öffnet der Einlass 11 zum Zeitpunkt EÖ. Um zu ermitteln, ob bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 7 eine Verbrennung im Brennraum 3 erfolgt, ist vorgesehen, dass der Kurbelgehäusedruck pKGH bei einem Kurbelwellenwinkel KW1 gemessen wird, bei dem das Kurbelgehäuse 4 vollständig geschlossen ist. Dies ist der Fall, wenn die Überströmkanäle 17 geschlossen sind und der Einlass 11 noch nicht geöffnet ist. Vorteilhaft wird der Druck pKGH vom Drucksensor 22 bei einem Kurbelwellenwinkel KW1 kurz vor dem Zeitpunkt EÖ gemessen, zu dem der Einlass 11 öffnet.
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3 zeigt die einzelnen gemessenen Druckwerte für den Kurbelgehäusedruck pKGH beim Kurbelwellenwinkel KW1 über der Zeit. Wie die Figur zeigt, schwanken die Druckwerte für den Kurbelgehäusedruck pKGH zunächst sehr stark. Ab dem Zeitpunkt t3 liegen die Druckwerte auf annähernd konstantem Niveau. Bis zum Zeitpunkt t3 wird der Zweitaktmotor 1 im Viertaktbetrieb betrieben, d.h., es findet nur bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle 7 eine Verbrennung im Brennraum 3 statt. Der Druckwert p1 repräsentiert den Kurbelgehäusedruck pKGH zum Zeitpunkt t1, nachdem eine Verbrennung im Brennraum 3 stattgefunden hat. Der Druckwert p2 repräsentiert den Druck pKGH im Kurbelgehäuse 4 zum Zeitpunkt t2 nach einem Motorzyklus, bei dem im Brennraum 3 keine Verbrennung stattgefunden hat.
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In 3 ist außerdem ein Mittelwert pM für den Kurbelgehäusedruck pKGH eingezeichnet. Um auf einfache Weise zu ermitteln, ob der Zweitaktmotor 1 im Viertaktbetrieb betrieben wird, wird die Druckdifferenz Δp1 zwischen dem Druckwert p1 und dem Mittelwert pM ermittelt. Ebenso wird die Druckdifferenz Δp2 für den Druckwert p2 zum Mittelwert pM ermittelt. Der Mittelwert pM ist dabei der Mittelwert über mehrere Druckwerte p1, p2, beispielsweise über Druckwerte aus acht aufeinanderfolgenden Motorzyklen beim Kurbelwellenwinkel KW1. Wie 3 zeigt, sind die Druckdifferenzen Δp1, Δp2 vergleichsweise groß. Die Druckdifferenzen Δp1, Δp2 werden mit einem oder mehreren Grenzwerten Δpgrenz verglichen. Daraus erkennt die Steuerung 20, dass der Zweitaktmotor 1 im Viertaktbetrieb läuft. Der Druckwert p1 herrscht zum Zeitpunkt t1 und der Druckwert p2 zum Zeitpunkt t2. Zu diesen Zeitpunkten wird, wie in 4 gezeigt, die zugeführte Kraftstoffmenge x jeweils verringert. Da auch nachfolgend noch große Druckschwankungen des Kurbelgehäusedrucks pKGH bestehen, wie in 3 gezeigt, wird die Kraftstoffmenge x weiterhin verringert. Zum Zeitpunkt t3 herrscht beim Kurbelwellenwinkel KW1 ein Druck p3 im Kurbelgehäuse 4, der zum Mittelwert pM nur eine sehr geringe Druckdifferenz Δp3 aufweist. Die nachfolgenden Druckwerte liegen auf dem etwa gleichen Niveau, der Kurbelgehäusedruck pKGH zum Kurbelwellenwinkel KW1 ist demnach ab dem Zeitpunkt t3 annähernd konstant. Ab dem Zeitpunkt t3 findet bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 7 eine Verbrennung im Brennraum 3 statt. Die zugeführte Kraftstoffmenge x wird deshalb nicht mehr weiter verringert. Die zugeführte Kraftstoffmenge x kann ab dem Zeitpunkt t3 wieder in üblicher Weise von der Steuerung 20 bestimmt werden.
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5 zeigt schematisch den Ablauf des Verfahrens. Im Verfahrensschritt 26 wird der Kurbelgehäusedruck pKGH ermittelt und die Druckdifferenz Δp zwischen dem aktuellen Kurbelgehäusedruck pKGH und dem Mittelwert pM gebildet. Im Verfahrensschritt 27 wird die Druckdifferenz Δp mit einem Grenzwert Δpgrenz verglichen. Im Verfahrensschritt 28 wird außerdem ermittelt, ob die Veränderung der Drehzahl n kleiner als ein Grenzwert Δngrenz für die Veränderung der Drehzahl n ist und ob die Veränderung des Luftaufwands LA kleiner als ein Grenzwert ΔLAgrenz für die Veränderung des Luftaufwands LA ist. Ist dies der Fall, sind also Drehzahl n und Luftaufwand LA .annähernd konstant, so wird die zugeführte Kraftstoffmenge x verringert. Andernfalls bleibt die zugeführte Kraftstoffmenge x unbeeinflusst und das Verfahren wird beim folgenden Motorzyklus erneut durchgeführt.
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Im Ausführungsbeispiel ist die Erkennung des Viertaktbetriebs beschrieben. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können jedoch auch andere Verbrennungsmuster ermittelt werden. Das Verfahren kann auch genutzt werden, um zu überprüfen, ob ein gewünschtes Verbrennungsmuster, beispielsweise eine Verbrennung alle 3, 4, 5 oder 6 Motorzyklen, tatsächlich vorliegt. Vorteilhaft wird das Verfahren in Volllast des Zweitaktmotors 1 durchgeführt. Das Verfahren kann jedoch auch in anderen Betriebszuständen des Zweitaktmotors 1 vorteilhaft angewendet werden.
