DE102009040321A1

DE102009040321A1 - Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102009040321A1
Application number: DE102009040321A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Geyer
Original assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Current assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Priority date: 2009-09-05
Filing date: 2009-09-05
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2029-09-06
Also published as: US8161931B2; US20110056451A1; JP2011058492A; CN102011668B; DE102009040321B4; CN102011668A; JP5690531B2

Abstract

Für ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, der eine Starteinrichtung zum Anwerfen des Verbrennungsmotors (11), und eine Einrichtung zur Zung gesteuert ist, besteht, ist vorgesehen, dass beim Starten des Verbrennungsmotors (11) ermittelt wird, ob Kaltstartbedingungen oder Warmstartbedingungen vorliegen. Die zugeführte Kraftstoffmenge (x) wird anhand der ermittelten Startbedingungen gesteuert. Um eine zuverlässige Ermittlung, ob Kaltstartbedingungen oder Warmstartbedingungen vorliegen, zu erlauben, ist vorgesehen, dass beim Starten des Verbrennungsmotors (11) in mindestens einem Betriebsbereich während der Auslaufphase eines Anwerfhubs (26, 27, 28) ein Drehzahlgradient (Δn, Δn) ermittelt und der ermittelte Drehzahlgradient (Δn, Δn) zur Erkennung, ob Kaltstartbedingungen oder Warmstartbedingungen vorliegen, genutzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Verbrennungsmotoren, beispielsweise in handgeführten Arbeitsgeräten wie Motorsägen, Trennschleifern, Freischneidern oder dgl. werden unter sehr unterschiedlichen Umgebungstemperaturen betrieben. Um sicherzustellen, dass der Motor sowohl bei großer Kälte als auch bei großer Hitze problemlos startet, ist es bekannt, beim Starten über einen Temperatursensor die Umgebungstemperatur zu ermitteln und den Startvorgang entsprechend zu steuern.
Beim Einsatz eines Temperatursensors, der die Umgebungstemperatur misst, können die herrschenden Startbedingungen für den Motor nicht immer korrekt ermittelt werden. Dies gilt vor allem dann, wenn die Maschine erst kurze Zeit stillsteht, ein erneuter Start deshalb also unter Warmstartbedingungen erfolgen sollte, die Umgebungstemperatur jedoch sehr niedrig ist, und der Temperatursensor deshalb Kaltstartbedingungen ermittelt. Das Starten des Verbrennungsmotors unter fälschlich ermittelten Kaltstartbedingungen kann zum Überfetten des Verbrennungsmotors führen, so dass ein erneuter Start nur schwierig möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit dem das Starten des Verbrennungsmotors zuverlässig möglich ist.
Es hat sich gezeigt, dass der Drehzahlgradient, also der Abfall der Drehzahl über der Zeit, während der Auslaufphase eines Anwerfhubs des Verbrennungsmotors Rückschlüsse darüber zulässt, ob der Verbrennungsmotor unter Kaltstartbedingungen oder unter Warmstartbedingungen läuft. Während der Auslaufphase des Anwerfhubs dreht der Verbrennungsmotor unabhängig von der Starteinrichtung. Wie schnell die Drehzahl während der Auslaufphase abnimmt, hängt von der Reibung des Verbrennungsmotors ab, die wiederum von der Temperatur des Schmieröls abhängt. Mittel zur Erfassung der Drehzahl sind bei Verbrennungsmotoren üblicherweise ohnehin vorhanden, so dass der Drehzahlgradient ohne weiteren Aufwand erfasst und zur Bestimmung der Startbedingungen genutzt werden kann. Dadurch lässt sich auf einfache Weise das Startverhalten des Verbrennungsmotors verbessern.
Vorteilhaft besitzt die Starteinrichtung eine Koppeleinrichtung zur lösbaren Verbindung mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, und der Drehzahlgradient wird ermittelt, wenn die Starteinrichtung von der Kurbelwelle getrennt ist.
Dadurch können Einflüsse der Starteinrichtung auf den Drehzahlgradienten ausgeschlossen werden. Die Starteinrichtung ist dabei vorteilhaft ein von Hand zu startender Seilzugstarter. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Starteinrichtung eine elektrische Starteinrichtung ist, die zur Erfassung des Drehzahlgradienten über einen vorbestimmten Zeitraum ausgeschaltet wird, damit eine Auslaufphase entsteht.
Zweckmäßig wird der Drehzahlgradient zur Ermittlung, ob Kaltstartbedingungen oder Warmstartbedingungen vorliegen, mit einem Grenzwert verglichen. Der Grenzwert muss dabei nicht konstant sein.
Vorteilhaft wird zur Ermittlung, ob Kaltstartbedingungen oder Warmstartbedingungen vorliegen, eine Temperatur ermittelt. Die Temperatur wird vorteilhaft außerhalb des Verbrennungsmotors, also außerhalb von Zylinder und Kurbelgehäuse gemessen und ist von der Motortemperatur zu unterscheiden. Die Temperatur muss dabei nicht die außerhalb eines Arbeitsgeräts, in dem der Verbrennungsmotor angeordnet ist, gemessene Temperatur sein. Eine einfache Gestaltung ergibt sich, wenn die Steuereinrichtung ein Steuergerät ist und die Temperatur im Steuergerät gemessen wird. Der Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur kann dadurch direkt auf der Platine des Steuergeräts angeordnet werden, so dass keine Verdrahtung notwendig ist. Die im Steuergerät gemessene Temperatur liegt zwischen der Motortemperatur und der Umgebungstemperatur. Durch die Messung der Temperatur im Steuergerät sind keine externen, also außerhalb des Steuergeräts liegenden Sensoren notwendig.
Dadurch ergibt sich ein einfacher Aufbau und eine einfache Montage.
Es kann vorgesehen sein, dass der Drehzahlgradient dann ermittelt wird, wenn die Temperatur in einem Temperaturbereich liegt, in dem aus der gemessenen Temperatur, insbesondere der Temperatur im Steuergerät, nicht eindeutig auf das Vorliegen von Kaltstartbedingungen oder Warmstartbedingungen geschlossen werden kann. Der Drehzahlgradient wird demnach nur dann ermittelt, wenn die ermittelte Temperatur zur Bestimmung der Startbedingungen nicht ausreicht. Der Betriebsbereich, in dem der Drehzahlgradient ermittelt wird, ist vorteilhaft eine Temperatur von etwa –10°C bis etwa 20°C.
Vorteilhaft wird in Abhängigkeit der ermittelten Startbedingungen eine erste zuzuführende Kraftstoffmenge für Kaltstartbedingungen oder eine zweite zuzuführende Kraftstoffmenge für Warmstartbedingungen ausgewählt.
Unter Kaltstartbedingungen ist ein Starten beim ersten Anwerfhub in der Regel nicht möglich. Es ist deshalb vorgesehen, dass beim ersten Anwerfhub des Verbrennungsmotors die zuzuführende Kraftstoffmenge für Warmstartbedingungen ausgewählt wird. Unter günstigen Bedingungen und wenn Warmstartbedingungen vorliegen, kann so ein Starten beim ersten Anwerfhub ermöglicht werden. Beim ersten Anwerfhub wird dann ermittelt, ob Kaltstartbedingungen oder Warmstartbedingungen vorliegen. Vorteilhaft bleibt eine ausgewählte erste zuzuführende Kraftstoffmenge für Kaltstartbedingungen aktiv, bis der Verbrennungsmotor gestartet ist. Werden nach Erkennung von Kaltstartbedingungen fälschlich Warmstartbedingungen erkannt, so kann dadurch dennoch das Starten des Verbrennungsmotors ermöglicht werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer Motorsäge,
2 eine schematische Schnittdarstellung durch die Motorsäge aus 1,
3 ein Diagramm, das einen möglichen Drehzahlverlauf beim Anwerfen über der Zeit angibt,
4 eine vergrößerte Darstellung eines Anwerfhubs aus dem Diagramm aus 3,
5 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens.
In 1 ist als Ausführungsbeispiel für ein handgeführtes Arbeitsgerät eine Motorsäge 1 gezeigt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei einem Verbrennungsmotor in einem anderen Arbeitsgerät wie beispielsweise einem Trennschleifer, einem Freischneider, einem Rasenmäher oder dgl. vorteilhaft sein. Auch andere Einsatzzwecke können zweckmäßig sein. Die Motorsäge 1 besitzt ein Gehäuse 2, an dem ein hinterer Handgriff 3 angeordnet ist. An dem hinteren Handgriff 3 sind ein Gashebel 8 und eine Gashebelsperre 9 schwenkbar gelagert. Benachbart zum hinteren Handgriff 3 ragt ein Betriebsartensteller 10 aus dem Gehäuse 2. Mit dem Betriebsartensteller 10 kann die Motorsäge 1 ein- und ausgeschaltet werden. Am Gehäuse 2 ist außerdem ein Griffrohr 4 zum Führen der Motorsäge 1 im Betrieb angeordnet. An der dem hinteren Handgriff 3 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 2 ragt eine Führungsschiene 5 nach vorne, an der eine Sägekette 6 umlaufend angetrieben ist. Die Sägekette 6 ist von einem Verbrennungsmotor 11 angetrieben, der im Gehäuse 2 angeordnet ist und der in 1 gestrichelt gezeichnet ist. Aus dem Gehäuse 2 ragt ein Anwerfgriff 7 zur Betätigung einer Starteinrichtung des Verbrennungsmotors 11. Der Verbrennungsmotor 11 besitzt ein Steuergerät 12, das eine Zündkerze 13 und ein Kraftstoffventil 16 ansteuert. Das Kraftstoffventil 16 mündet im Ausführungsbeispiel im Bereich eines Vergasers 14 in einen Ansaugkanal 15 des Verbrennungsmotors 11. Das Kraftstoffventil 16 kann jedoch beispielsweise auch in ein Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors 11 münden. Das Kraftstoffventil 16 ist vorteilhaft ein elektromagnetisches Ventil.
In 2 ist der Aufbau des Antriebs der Motorsäge 1 im Einzelnen gezeigt. Wie 2 zeigt, ragt die Zündkerze 13 in einen Zylinder 22 des Verbrennungsmotors 11, in dem ein Brennraum ausgebildet ist, der von einem Kolben 21 begrenzt ist. Der Kolben 21 treibt eine in einem Kurbelgehäuse 23 drehbar gelagerte Kurbelwelle 20 an. Auf der Kurbelwelle 20 ist an einer Seite des Verbrennungsmotors 11 ein Lüfterrad 19 festgelegt, an dessen Außenumfang das Steuergerät 12 angeordnet ist. Das Steuergerät 12 kann beispielsweise ein Zündmodul sein, in dem elektrische Energie durch am Lüfterrad 19 gehaltene Magnete induziert wird. Zur Versorgung des Verbrennungsmotors 11 mit Energie kann jedoch auch ein auf der Kurbelwelle 20 angeordneter, nicht gezeigter Generator dienen. Wie 2 schematisch zeigt, ist im Steuergerät 12 ein Temperatursensor 17 angeordnet. Der Temperatursensor 17 ist vorteilhaft auf einer Platine des Steuergeräts 12 befestigt.
Auf der dem Verbrennungsmotor 11 abgewandten Seite des Lüfterrads 19 ist als Starteinrichtung für den Verbrennungsmotor 11 ein Seilzugstarter 18 angeordnet, der über eine Koppeleinrichtung 32 mit der Kurbelwelle 20 verbindbar ist. Auf der dem Lüfterrad 19 gegenüberliegenden Seite des Verbrennungsmotors 11 ist eine Fliehkraftkupplung 24 vorgesehen, die ein Antriebsritzel 25 zum Antrieb der Sägekette 6 mit der Kurbelwelle 20 verbindet.
Zum Anwerfen des Verbrennungsmotors 11 zieht der Bediener am Anwerfgriff 7 und versetzt dadurch über die Koppeleinrichtung 32 die Kurbelwelle 20 in Rotation. Da es zunächst einige Umdrehungen der Kurbelwelle 20 dauert, bis Kraftstoff in den Brennraum gelangt und der Verbrennungsmotor 11 ausreichend Bewegungsenergie besitzt, um das Gemisch im Brennraum zu verdichten und zu zünden, erfolgt beim ersten Anwerfen nur unter sehr günstigen Bedingungen bereits ein Starten des Verbrennungsmotors 11. Erfolgt beim ersten Ziehen des Anwerfgriffs 7 kein Starten des Verbrennungsmotors 11, lässt der Bediener den Anwerfgriff 7 los, der von einer Rückholfeder ins Gehäuse 2 eingezogen wird. Anschließend kann der Bediener einen zweiten Anwerfhub vornehmen.
3 zeigt den Verlauf der Drehzahl n über der Zeit t bei mehreren Anwerfhüben. Beim ersten Anwerfhub 26 steigt die Drehzahl zunächst an und fällt dann wieder ab. Das Abfallen der Drehzahl entspricht dem Auslaufen des Verbrennungsmotors 11, wenn die Starteinrichtung 18 nicht mehr über die Koppeleinrichtung 32 mit der Kurbelwelle 20 verbunden ist. Auch beim zweiten Anwerfhub 27 und beim dritten Anwerfhub 28 erfolgt zunächst ein Anstieg der Drehzahl n, der dem Herausziehen des Anwerfgriffs 7 entspricht, und ein anschließender Drehzahlabfall, der dem Auslaufen der Kurbelwelle 20 entspricht. Erst beim vierten Anwerfhub 29 steigt die Drehzahl n nach dem Anwerfen deutlich an. Hier ist der Motor angesprungen.
Im Betrieb kann die Motorsäge 1 unter unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen betrieben werden. Bei sehr niedrigen Temperaturen muss dem Verbrennungsmotor 11 mehr Kraftstoff zum Starten zugeführt werden. Um die niedrigen Umgebungstemperaturen, also niedrige Temperaturen außerhalb des Motors selbst, zu erkennen, ist der Temperatursensor 17 im Steuergerät 12 vorgesehen. Allerdings kann der Temperatursensor 17 sehr niedrige Temperaturen besitzen, obwohl der Verbrennungsmotor 11 bereits gelaufen ist, beispielsweise, wenn das Gehäuse 2 nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors 11 bereits wieder auf die niedrige Umgebungstemperatur abgekühlt ist, der Verbrennungsmotor 11 jedoch noch vollständig geschmiert ist. In diesem Fall sollte der Verbrennungsmotor 11 unter Warmstartbedingungen starten, obwohl der Temperatursensor 11 im Steuergerät 12 Kaltstartbedingungen meldet. Um die Warmstartbedingungen und die Kaltstartbedingungen deutlicher unterscheiden zu können, ist vorgesehen, dass der Drehzahlgradient Δn während der Auslaufphase eines Anwerfhubs ermittelt wird.
Der Drehzahlverlauf während eines Anwerfhubs ist in 4 vergrößert gezeigt. Die Kurve 30 zeigt dabei den Drehzahlverlauf bei Kaltstartbedingungen und die Kurve 31 den Drehzahlverlauf bei Warmstartbedingungen. Der Drehzahlgradient wird dabei vorteilhaft über eine Umdrehung der Kurbelwelle 20 und kurz vor dem Stillstand der Kurbelwelle 20 gemessen. In 4 ist der Drehzahlgradient zwischen zwei Zeitpunkten t₁ und t₂ eingezeichnet, deren Abstand vorteilhaft einer Umdrehung der Kurbelwelle 20 entspricht. Bei der Kurve 30 ist der Drehzahlgradient Δn₂ zwischen den beiden Zeitpunkten t₁ und t₂ deutlich größer als der Drehzahlgradient Δn₁ bei der Kurve 31. Bei Kaltstartbedingungen wird die Kurbelwelle 20 aufgrund der größeren Reibung deutlicher gebremst. Dies kann durch die Ermittlung des Drehzahlgradienten Δn₁, Δn₂ ausgewertet werden.
5 zeigt den Ablauf eines Verfahrens zur Ermittlung, ob Kaltstartbedingungen oder Warmstartbedingungen vorliegen. Im Verfahrensschritt 35 wird zunächst überprüft, ob die im Steuergerät 12 gemessene Temperatur T kleiner als eine untere Grenztemperatur, beispielsweise –10°C ist. Ist dies der Fall, wird eine erste zuzuführende Kraftstoffmenge x₁ für Kaltstartbedingungen gewählt. Liegt die Temperatur oberhalb von –10°C, so wird im Verfahrensschritt 36 ermittelt, ob die Temperatur T unterhalb von 20°C liegt. Die Temperatur T wird dabei von dem Temperatursensor 17 gemessen. Liegt die Temperatur über 20°C, so liegen Warmstartbedingungen vor, und es wird eine zweite zuzuführende Kraftstoffmenge x₂ für Warmstartbedingungen ausgewählt. Die Kraftstoffmengen x₁, x₂ können dabei in üblicher Weise anhand der Kraftstoffmenge je Kurbelwellenumdrehung oder über Kennlinien oder dgl. festgelegt sein.
Liegt die Temperatur T zwischen –10°C und +20°C, so wird im Verfahrensschritt 37 der Drehzahlgradient Δn₁, Δn₂ beim Auslaufen eines Anwerfhubs ermittelt und mit einem Grenzwert Δn_grenz verglichen. Liegt der Drehzahlgradient Δn₁, Δn₂ oberhalb des Grenzwerts Δn_grenz, so herrschen Kaltstartbedingungen, und die erste zuzuführende Kraftstoffmenge x₁ wird ausgewählt. Dies ist im Ausführungsbeispiel nach 4 für den Drehzahlgradienten Δn₂ bei der Kurve 30 der Fall. Liegt der Drehzahlgradient Δn₁, Δn₂ unterhalb des Grenzwerts Δn_grenz, so herrschen Warmstartbedingungen, und es wird die zweite zuzuführende Kraftstoffmenge x₂ ausgewählt. Dies ist für die Kurve 31 und den Drehzahlgradienten Δn₁ der Fall. Die ausgewählte Kraftstoffmenge x₁, x₂ wird dann durch entsprechende Ansteuerung des Kraftstoffventils 16 zugeführt. Werden einmal Kaltstartbedingungen erkannt, so endet das Verfahren, bis der Verbrennungsmotor 11 gestartet ist. Werden Warmstartbedingungen erkannt, wird bei jedem weiteren Anwerfhub der Drehzahlgradient überwacht, um sicherzustellen, dass die Warmstartbedingungen richtig erkannt wurden. Sollte in einem späteren Anwerfhub ein Kaltstart erkannt werden, wird dann für weitere Anwerfhübe die erste zuzuführende Kraftstoffmenge x₁ für Kaltstartbedingungen ausgewählt und der Kraftstoff entsprechend anhand fester Werte oder anhand einer Kennlinie zugeführt.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (11), mit einer Starteinrichtung zum Anwerfen des Verbrennungsmotors (11), und mit einer Einrichtung zur Zufuhr von Kraftstoff, die von einer Steuereinrichtung gesteuert ist, wobei beim Starten des Verbrennungsmotors (11) ermittelt wird, ob Kaltstartbedingungen oder Warmstartbedingungen vorliegen und die zuzuführende Kraftstoffmenge (x₁, x₂) anhand der ermittelten Startbedingungen gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung, ob Kaltstartbedingungen oder Warmstartbedingungen vorliegen, beim Starten des Verbrennungsmotors (11) in mindestens einem Betriebsbereich während der Auslaufphase eines Anwerfhubs (26, 27, 28) ein Drehzahlgradient (Δn₁, Δn₂) ermittelt und der ermittelte Drehzahlgradient (Δn₁, Δn₂) zur Erkennung, ob Kaltstartbedingungen oder Warmstartbedingungen vorliegen, genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Starteinrichtung eine Koppeleinrichtung (32) zur lösbaren Verbindung mit einer Kurbelwelle (20) des Verbrennungsmotors (11) besitzt, und dass der Drehzahlgradient (Δn₁, Δn₂) ermittelt wird, wenn die Starteinrichtung von der Kurbelwelle (20) getrennt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Starteinrichtung ein von Hand zu startender Seilzugstarter (18) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlgradient (Δn₁, Δn₂) zur Ermittlung, ob Kaltstartbedingungen oder Warmstartbedingungen vorliegen, mit einem Grenzwert (Δn_grenz) verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung, ob Kaltstartbedingungen oder Warmstartbedingungen vorliegen, eine Temperatur (T) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung ein Steuergerät (12) ist und die Temperatur (T) im Steuergerät (12) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlgradient (Δn₁, Δn₂) ermittelt wird, wenn die Temperatur (T) in einem Temperaturbereich liegt, in dem aus der Temperatur (T) nicht eindeutig auf das Vorliegen von Kaltstartbedingungen oder Warmstartbedingungen geschlossen werden kann.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsbereich, in dem der Drehzahlgradient (Δn₁, Δn₂) ermittelt wird, eine Temperatur (T) von etwa –10°C bis etwa 20°C ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der ermittelten Startbedingungen eine erste zuzuführende Kraftstoffmenge (x₁) für Kaltstartbedingungen oder eine zweite zuzuführende Kraftstoffmenge (x₂) für Warmstartbedingungen ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten Anwerfhub des Verbrennungsmotors (11) die zweite zuzuführende Kraftstoffmenge (x₂) für Warmstartbedingungen ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählte erste zuzuführende Kraftstoffmenge (x₁) für Kaltstartbedingungen aktiv bleibt, bis der Verbrennungsmotor (11) gestartet ist.