DE102008064008A1

DE102008064008A1 - Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102008064008A1
Application number: DE102008064008A
Authority: DE
Inventors: Tim Dipl.-Ing. Gegg; Manuel Dipl.-Ing. Dangelmaier; Andreas Dipl.-Ing. Neubauer; Wolfgang Dipl.-Ing. Layher
Original assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Current assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2028-12-20
Also published as: CN101498258B; US20090178648A1; CN101498258A; JP5352221B2; JP2009168012A; DE102008064008B4; US8322326B2

Abstract

Ein Verbrennungsmotor (8) besitzt eine Zündeinrichtung, eine Einrichtung zur Zufuhr von Kraftstoff und eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl des Verbrennungsmotors (8). Der Verbrennungsmotor (8) weist eine zulässige Grenzdrehzahl (ng) und oberhalb der Grenzdrehzahl (ng) einen Abregelbereich (A) der Drehzahl (n) auf. Ein Verfahren zum Betrieb des Verbrennungsmotors (8) sieht vor, dass die Drehzahl des Verbrennungsmotors (8) im Abregelbereich (A) durch Aussetzen der Zündung in einzelnen Motorzyklen, in denen die Drehzahl (n) oberhalb einer im Abregelbereich (A) liegenden Abregeldrehzahl (na) liegt, begrenzt wird. Im Abregelbereich wird zur Verbesserung der Abgaswerte die Austaktrate (ASR), die das Verhältnis der Anzahl der Motorzyklen, zu denen die Zündung ausgesetzt wird, zur Gesamtzahl der Zündungen angibt, verstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Aus der Beschreibungseinleitung der DE 196 14 464 A1 geht hervor, dass es insbesondere bei handgeführten Arbeitsgeräten bekannt ist, zur Drehzahlbegrenzung die Zündung gezielt abzuschalten. Beim Abschalten der Zündung kann jedoch unverbrannter Kraftstoff in die Umgebung entweichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einen Verbrennungsmotors anzugeben, mit dem gute Abgaswerte erzielt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Verstellung der Austaktrate im Abregelbereich erlaubt eine Steuerung des Verbrennungsmotors derart, dass gute Abgaswerte erreicht werden können. Dadurch, dass die Drehzahl durch Aus setzen der Zündung begrenzt wird, ist eine sichere Drehzahlbegrenzung gegeben, wie sie für handgeführte Arbeitsgeräte gefordert wird. Vorteilhaft wird die Austaktrate erhöht. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Austaktrate verringert wird, insbesondere durch Änderung der zugeführten Kraftstoffmenge.
Die Austaktrate kann auf einfache Weise durch Ändern der zugeführten Kraftstoffmenge verstellt werden. Insbesondere wird dabei die zugeführte Kraftstoffmenge kontinuierlich verändert. Zweckmäßig wird die zugeführte Kraftstoffmenge zur Verstellung der Austaktrate verringert.
Durch Änderung der zugeführten Kraftstoffmenge kann zum einen die zugeführte Kraftstoffmenge verringert werden, so dass der in Zyklen ohne Verbrennung unverbrannt entweichende Kraftstoffanteil verändert, insbesondere verringert wird. Gleichzeitig kann die Anzahl der Zyklen, zu denen keine Verbrennung stattfindet, erhöht werden, so dass ein Großteil des zugeführten Kraftstoffs im Verbrennungsmotor verbrannt wird. Dadurch können die Abgaswerte verbessert und der Kraftstoffverbrauch insgesamt verringert werden. Gleichzeitig ergibt sich eine sichere Drehzahlbegrenzung im Abregelbereich. Vorteilhaft wird die Austaktrate verstellt, bis sie auf unter 20%, insbesondere auf unter 10%, vorteilhaft bis auf 0% gesunken ist, bis also nur noch in 20% bzw. 10% der Motorzyklen keine Verbrennung stattfindet. Ist die Austaktrate bis auf etwa 0% gesunken, so findet in nahezu jedem Motorzyklus eine Verbrennung statt. Da in mindestens 80% bzw. 90% oder 100% der Motorzyklen eine Zündung erfolgt und somit eine Verbrennung stattfinden kann, ist die Kraftstoffmenge, die unverbrannt durch den Auslass des Verbrennungsmotors entweichen kann, sehr gering.
Zur Einstellung der zuzuführenden Kraftstoffmenge wird bei Drehzahlen unterhalb der Grenzdrehzahl eine Störung eingebracht und die Drehzahlreaktion des Verbrennungsmotors gemessen. Anhand der Drehzahlreaktion des Motors kann ermittelt werden, ob das zugeführte Gemisch zu fett oder zu mager ist. Im Abregelbereich ist diese Steuerung der Kraftstoffzusammensetzung nicht möglich, da im Abregelbereich eine Drehzahlreaktion nach oben aufgrund der Drehzahlbegrenzung nicht möglich ist. Bei Arbeitsgeräten, bei denen das Werkzeug meist im Abregelbereich arbeitet, wie beispielsweise bei Heckenscheren, Freischneidern oder dgl. ist eine ausreichend gute Regelung der Kraftstoffzusammensetzung deshalb oft nicht möglich. Es ist nun vorgesehen, dass eine Regelgröße für den Motor aus Parametern im Abregelbereich ermittelt wird. Da die Regelgröße aus Parametern im Abregelbereich ermittelt wird, ist die Ermittlung der Regelgröße auch bei Arbeitsgeräten möglich, die meist im Abregelbereich betrieben werden.
Vorteilhaft wird im Abregelbereich als Regelgröße ein Maximum der Austaktrate ermittelt. Das Maximum der Austaktrate wird dabei in Abhängigkeit des zugeführten Kraftstoff/Luft-Verhältnisses bzw. in Abhängigkeit der zugeführten Kraftstoffmenge ermittelt. Das Maximum der Austaktrate gibt das Kraftstoff/Luft-Verhältnis an, bei dem die größte Leistung pro gezündetem Motorzyklus erzielt wird. Dieses Maximum stellt sich dabei unabhängig von der im Verbrennungsmotor wirkenden Last ein, so dass die Ermittlung des Maximums der Austaktrate auch nach einem Austausch des Werkzeugs des Arbeitsgeräts ohne weiteres möglich ist. Vorteilhaft wird das Maximum der Austaktrate oder ein prozentualer Anteil des Maximums zur Einstellung einer Kennlinie genutzt, die die zuzuführende Kraftstoffmenge über der Drehzahl angibt. Ausgehend von der zugeführten Kraftstoffmenge beim Maximum der Austaktrate kann ein gewünschtes Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt werden. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die zuzuführende Kraftstoffmenge geringer als die leistungsoptimale Kraftstoffmenge beim Maximum der Austaktrate oder bei einem vorgegebenen prozentualen Anteil des Maximus der Austaktrate ist, um eine Überfettung des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Um eine ausreichende Schmierung zu gewährleisten, kann jedoch auch ein fetteres Kraftstoff/Luft-Verhältnis gewünscht sein. Dies kann abhängig vom Typ des Arbeitsgeräts sein.
Der Verlauf der Austaktrate kann schwanken. Dabei sind insbesondere im Bereich des Maximums starke Schwankungen möglich, während bei geringeren Austaktraten kaum Schwankungen gegeben sind. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, zur Ermittlung einer Regelgröße für den Motor nicht das Maximum der Austaktrate, sondern einen vorgegebenen prozentualen Anteil des Maximums der Austaktrate zu wählen. Dieser vorgegebene prozentuale Anteil kann beispielsweise im Bereich von etwa 85% bis etwa 95% des Maximums der Austaktrate liegen. Dabei wird vorteilhaft für den Betrieb mit Last ein höherer prozentualer Anteil gewählt als im Betrieb ohne Last. Beispielsweise kann beim Betrieb mit Last ein prozentualer Anteil von etwa 93% und beim Betrieb ohne Last ein prozentualer Anteil von etwa 90% vorgesehen sein.
Es ist vorgesehen, das Maximum der Austaktrate oder einen vorgegebenen prozentualen Anteil des Maximums der Austaktrate zu nutzen, um eine Kennlinie einzustellen, die für den gesamten Drehzahlbereich die jeweils zuzuführende Kraftstoffmenge angibt. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, die Kennlinie in Abhängigkeit des Maximums der Austaktrate zu verschieben. Vorteilhaft wird bei Drehzahlen unterhalb der Grenzdrehzahl zur Einstellung der Kennlinie, die die zuzuführende Kraftstoffmenge über der Drehzahl angibt, das Kraftstoff/Luft-Verhältnis verändert und die sich aus dem veränderten Kraftstoff/Luft-Verhältnis ergebende Änderung der Drehzahl ausgewertet. Anhand der Drehzahländerung kann die Kennlinie, die die zuzuführende Kraftstoffmenge über der Drehzahl angibt, eingestellt werden. Dadurch kann sowohl unterhalb der Grenzdrehzahl als auch im Abregelbereich ein gewünschtes Kraftstoff/Luft-Verhältnis für den Verbrennungsmotor eingestellt werden.
Vorteilhaft wird das Kraftstoff/Luft-Verhältnis durch Änderung der zugeführten Kraftstoffmenge verändert. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die zugeführte Verbrennungsluftmenge zu verändern. Um eine gute Steuerung des Verbrennungsmotors zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Zufuhr von Kraftstoff die zuzuführende Kraftstoffmenge für jeden Motorzyklus dosiert. Die Einrichtung zur Zufuhr von Kraftstoff kann beispielsweise ein Ventil, insbesondere ein Schaltventil wie ein elektromagnetisches Ventil oder dgl. sein, das mit einer Steuerung des Verbrennungsmotors verbunden ist.
Es hat sich gezeigt, dass sich im Abregelbereich ein kritisches Muster der Motorzyklen, zu denen keine Zündung erfolgt, einstellen kann. Bei diesem kritischen Muster der Motorzyklen ohne Zündung ergeben sich extreme Druckverläufe im Motor, die den Motor stark belasten. Es hat sich auch gezeigt, dass die sich ergebenden Schwingungen im Bereich der Eigenfrequenz des Antriebsstranges des Arbeitsgeräts liegen können, so dass der Antriebsstrang zu Schwingungen angeregt wird, die ebenfalls zu starken Belastungen des Arbeitsgeräts führen können. Ein eigenständiger erfinderischer Gedanke betrifft die Vermeidung dieser starken Belastungen. Hierzu ist vorgesehen, dass im Abregelbereich das kritische Muster der Motorzyklen, zu denen keine Zündung erfolgt, identifiziert wird. Dies kann jedes konstante Muster oder nur ein bestimmtes konstantes Muster sein. Insbesondere entspricht die Frequenz der sich bei dem Muster einstellenden Schwingung der Eigenfrequenz des Antriebsstranges. Es ist vorgesehen, dass das Muster der Motorzyklen, das sich im Betrieb einstellt, vorteilhaft konstant überwacht wird, und dass die Zündung im folgenden Motorzyklus ausgesetzt wird, wenn das Muster mit einem kritischen Muster der Motorzyklen übereinstimmt.
Dadurch, dass auch im folgenden Motorzyklus die Zündung ausgesetzt wird, wird das Muster unterbrochen und es stellt sich ein anderes, insbesondere ein unregelmäßiges Muster ein. Dadurch kann ein konstantes kritisches Austaktmuster auf einfache Weise verhindert werden. Der Motorzyklus, zu dem die Zündung ausgesetzt wird, geht dabei in die Ermittlung der Austaktrate mit ein. Die Drehzahlbegrenzung durch Aussetzen der Zündung wird durch die zusätzlichen Motorzyklen, zu denen keine Zündung stattfindet, nicht beeinträchtigt. Die Verstellung der Austaktrate zur Ermittlung einer Regelgröße für den Motor, beispielsweise durch Änderung der zugeführten Kraftstoffmenge, ist weiterhin möglich, so dass die Steuerung des Motors durch die zusätzlichen Motorzyklen, zu denen keine Zündung stattfindet, um ein kritisches Austaktmuster zu vermeiden, nicht negativ beeinflusst wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines von einem Bediener gehaltenen handgeführten Arbeitsgeräts,
2 eine perspektivische teilgeschnittene Darstellung des Verbrennungsmotors des Arbeitsgeräts aus 1,
3 ein schematisches Diagramm, das den Drehzahlverlauf im Abregelbereich über der Zeit angibt,
4 ein schematisches Diagramm, das die Austaktrate über der Zeit angibt,
5 ein schematisches Diagramm, das den Verlauf der Luftzahl λ über der Zeit bei dem in 4 gezeigten Verlauf der Austaktrate angibt,
6 ein schematisches Diagramm des Verlaufs der Last eines handgeführten Arbeitsgeräts über der Drehzahl,
7 ein schematisches Diagramm von Kennlinien, die die zuzuführende Kraftstoffmenge über der Drehzahl angeben,
8 ein Diagramm, das die Austaktrate über der Luftzahl bei unterschiedlichen Lasten des Arbeitsgeräts angibt,
9 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Verfahrens zur Einstellung einer Kennlinie,
10 ein Diagramm, das das Muster der Motorzyklen, zu denen keine Zündung erfolgt, über der Zeit angibt und
11 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Verfahrens zur Einstellung des Musters der Zündung.
In 1 ist als handgeführtes Arbeitsgerät beispielhaft ein Freischneider 1 gezeigt. Anstatt bei einem Freischneider 1 kann die Erfindung auch vorteilhaft bei Heckenscheren oder bei anderen handgeführten Arbeitsgeräten wie Motorsägen, Trennschleifern und dgl. zum Einsatz kommen. Besondere Vorteile ergeben sich beim Einsatz der Erfindung mit Arbeitsgeräten, die überwiegend im Abregelbereich betrieben werden, wie Freischneidern oder Heckenscheren.
Der Freischneider 1 besitzt ein Führungsrohr 2, an dem zwei Handgriffe 3 zum Führen des Freischneiders 1 im Betrieb festgelegt sind. Am Führungsrohr 2 ist außerdem ein Traggurt 5 angeordnet, der über die Schulter eines Benutzers geführt ist. An dem dem Boden zugewandten Ende ist am Führungsrohr 2 ein Fadenmähkopf 6 angeordnet, der einen Mähfaden 7 umfasst. Der Fadenmähkopf 6 ist rotierend angetrieben. An dem anderen Ende des Führungsrohrs 2 ist ein Gehäuse 4 angeordnet, in dem ein Verbrennungsmotor zum Antrieb des Fadenmähkopfs 6 angeordnet ist.
Der Verbrennungsmotor 8 des Freischneiders 1 ist in 2 perspektivisch gezeigt. Der Einzylinder-Verbrennungsmotor 8 ist als Zweitaktmotor ausgebildet. Der Verbrennungsmotor 8 kann jedoch auch als Einzylinder-Viertaktmotor ausgebildet sein. Der Verbrennungsmotor 8 besitzt einen Zylinder 9, in dem ein Kolben 10 hin und hergehend gelagert ist. Der Kolben 10 treibt über ein Pleuel 11 eine in einem Kurbelgehäuse 12 drehbar gelagerte Kurbelwelle 13 an. Der Kolben 10 begrenzt einen im Zylinder 9 ausgebildeten Brennraum 22, in den eine Zündkerze 23 ragt. Die Zündkerze 23 ist über eine Steuerung 25 mit einem Zündmodul 24 verbunden. Die Zündkerze 23 bildet mit dem Zündmodul 24 und dem für die Zündung verantwortlichen Teil der Steuerung 25 eine Zündeinrichtung.
In dem in 2 gezeigten unteren Totpunkt des Kolbens 10 ist das Innere des Kurbelgehäuses 12 über zwei Überströmkanäle 21 und zwei Überströmkanäle 20 mit dem Brennraum 22 verbunden. In 2 ist jeweils nur einer der Überströmkanäle 20 und 21 gezeigt. Aus dem Brennraum 22 führt ein Auslass 19. Die beiden Überströmkanäle 21 sind auslassnah angeordnet.
Ins Kurbelgehäuse 12 mündet im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens 10 ein Einlass 16, über den Verbrennungsluft zugeführt wird. In dem zum Einlass 16 führenden Kanal ist eine Drosselklappe 18 angeordnet, über die die zugeführte Verbrennungsluftmenge steuerbar ist. Die Drosselklappe 18 ist mit einem Drosselklappensensor 26 ausgestattet, der mit der Steuerung 25 verbunden ist und über den die Stellung der Drosselklappe 18 ermittelt wird. Die beiden Überströmkanäle 20 sind einlassnah angeordnet. In einem der Überströmkanäle 20 ist ein Kraftstoffventil 17 angeordnet, dass ebenfalls mit der Steuerung 25 verbunden ist und das dem Überströmkanal 20 in jedem Motorzyklus eine von der Steuerung 25 für diesen Motorzyklus festgelegte Kraftstoffmenge zuführt. Das Kraftstoffventil 17 ist vorteilhaft ein elektromagnetisches Schaltventil.
Auf der Kurbelwelle 13 ist ein Generator 14 angeordnet, der die zur Zündung von der Zündkerze 23 benötigte Energie generieren kann. Die Energie kann jedoch auch im Zündmodul 24 generiert werden. Der Generator 14 ist mit der Steuerung 25 verbunden und versorgt diese sowie weitere elektrische Einrichtungen des Freischneiders 1 mit Energie. Der Generator 14 dient außerdem zur Erfassung der Drehzahl des Verbrennungsmotors 8. Auf der Kurbelwelle 13 ist außerdem ein Lüfterrad 15 festgelegt, das Kühlluft für den Verbrennungsmotor 8 fördert.
Wie das Diagramm in 3 zeigt, wird die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 8 oberhalb einer Grenzdrehzahl n_g begrenzt. Oberhalb der Grenzdrehzahl n_g liegt ein Abregelbereich A, in dem die Begrenzung der Drehzahl erfolgt. In dem Abregelbereich A liegt eine Abregeldrehzahl n_a, die größer als die Grenzdrehzahl n_g ist. Beim Überschreiten der Abregeldrehzahl n_a wird die Zündung des Verbrennungsmotors 8 ausgesetzt. Da keine Verbrennung mehr erfolgen kann, erfolgt keine weitere Beschleunigung der Kurbelwelle 13, so dass die Drehzahl wieder unter die Abregeldrehzahl n_a sinkt. Sobald die Drehzahl unter die Abregeldrehzahl n_a sinkt, erfolgt wieder eine Zündung des Gemischs im Brennraum 22. Dadurch steigt die Drehzahl n wieder an, bis sie oberhalb der Abregeldrehzahl n_a liegt. Sobald die Drehzahl n die Abregeldrehzahl n_a überschreitet, wird die Zündung erneut ausgesetzt und die Drehzahl sinkt wieder ab. Durch das Aussetzen der Zündung beim Überschreiten der Abregeldrehzahl n_a kann so die Drehzahl n auf einfache Weise wirksam begrenzt werden.
Im Abregelbereich A stellt sich eine Austaktrate ASR ein, die das Verhältnis der Motorzyklen ohne Verbrennung zur Gesamtzahl der Motorzyklen angibt. Die Austaktrate ASR hängt von der zugeführten Kraftstoffmenge ab. In den 4 und 5 ist der sich ergebende Verlauf der Austaktrate ASR bei einem vorgegebenen Verlauf der Luftzahl λ über der Zeit t angegeben. Die Luftzahl λ ist dabei ein Maß für das Kraftstoff/Luft-Verhältnis. Die Luftzahl λ gibt das Verhältnis der tatsächlich zur Verbrennung zur Verfügung stehenden Luftmasse bezogen auf die für eine stöchiometrische Verbrennung notwendige Luftmasse an. Ein Wert der Luftzahl λ von unter 1 bedeutet, dass das Gemisch fett ist, während eine Luftzahl λ von über 1 ein mageres Gemisch kennzeichnet. Der Verlauf der Luftzahl λ entspricht bei gleich bleibender Luftmenge dem Verlauf der zugeführten Kraftstoffmenge.
Wie die 4 und 5 zeigen, wird die Luftzahl λ ausgehend von einem Zeitpunkt t₁ kontinuierlich verändert. Die Luftzahl λ wird dabei erhöht, d. h. die zugeführte Kraftstoffmenge wird in entsprechender Weise kontinuierlich verringert, das Gemisch wird also abgemagert. Die Veränderung, insbesondere die Verringerung der zugeführten Kraftstoffmenge erfolgt dabei vorteilhaft kontinuierlich. Es kann jedoch auch eine stufenweise Veränderung, insbesondere eine stufenweise Verringerung vorgesehen sein. Wie 4 zeigt, steigt die Austaktrate zunächst an, bis sie zum Zeitpunkt t₂ eine maximale Austaktrate ASR_max erreicht hat. Wird die Luftzahl λ weiter erhöht, die zugeführte Kraftstoffmenge also weiter verringert, sinkt die Austaktrate ASR wieder ab. Zu einem Zeitpunkt t₃ ist eine Austaktrate ASR₉₀ von 90% erreicht, also eine Austaktrate ASR, die um 10% unter der maximalen Austaktrate ASR_max liegt. Zu einem Zeitpunkt t₄ ist eine Austaktrate ASR von etwa 20% erreicht. Wie die Linie 31 zeigt, ist vorgesehen, die zugeführte Kraftstoffmenge nach Erreichen einer Austaktrate ASR von etwa 20% konstant zu halten. Die zugeführte Kraftstoffmenge ist demnach sehr niedrig, während gleichzeitig auch die Zahl der Motorzyklen ohne Verbrennung niedrig ist. Dadurch ergeben sich geringe Abgaswerte. Die Luftzahl λ wird auf einem Wert λ₂ gehalten.
Die maximale Austaktrate ASR_max stellt sich bei der Luftzahl λ ein, bei der die größte Leistung des Verbrennungsmotors 8 pro gezündetem Motorzyklus erreicht wird. Bei dieser Luftzahl λ erreicht die Kurbelwelle 13 die größte Beschleunigung, so dass auch der Drehzahlanstieg maximal ist. Die Drehzahl bleibt deshalb vergleichsweise lange oberhalb der Abregeldrehzahl n_a, so dass über vergleichsweise viele weitere Motorzyklen keine Zündung erfolgt. Bei handgeführten Arbeitsgeräten wie Heckenscheren oder Freischneidern, bei denen der Verbrennungsmotor 8 meist im Abregelbereich A betrieben wird, kann es vorteilhaft sein, ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis einzustellen, das dem leistungsoptimalen λ₁, also der Luftzahl bei der maximalen Austaktrate ASR_max entspricht. Sobald dem Motor eine hohe Leistung abgefordert wird, beispielsweise, wenn dicke Äste oder dgl. mit einer Heckenschere geschnitten werden sollen, steht bei dieser Einstellung sofort die maximale Motorleistung zur Verfügung. Diese Einstellung ist durch die Linie 32 in 5 angedeutet. Um eine ausreichende Schmierung des Verbrennungsmotors 8 zu erreichen, kann es jedoch auch vorteilhaft sein, die Luftzahl λ fetter als die leistungsoptimale Luftzahl λ₁ einzustellen. Dies ist in 5 durch die Luftzahl λ₃ gekennzeichnet. Den Verlauf der Luftzahl λ₃ gibt die Linie 33 in 5 wieder.
6 zeigt exemplarisch den Verlauf der Motorlast M_d über der Drehzahl n. Nach dem Maximum der Motorlast Md ist ein Betriebsdrehzahlbereich B vorgesehen. In einem Abstand zum Betriebs drehzahlbereich B liegt bei höheren Drehzahlen n die Grenzdrehzahl n_g, an die sich der Abregelbereich A mit der Abregeldrehzahl n_a anschließt. Wie 6 zeigt, sinkt die Drehzahl n im Abregelbereich A aufgrund der Drehzahlbegrenzung durch Aussetzen der Zündung sehr stark ab.
Bei Arbeitsgeräten, die üblicherweise im Betriebsdrehzahlbereich B arbeiten, kann zur Einstellung der Luftzahl λ und der zuzuführenden Kraftstoffmenge x das in 9 schematisch gezeigte Verfahren genutzt werden. Im Verfahrenschritt 34 wird das Kraftstoff/Luft-Verhältnis verändert, beispielsweise durch Änderung der zugeführten Kraftstoffmenge. Die zugeführte Kraftstoffmenge wird dabei insbesondere kontinuierlich verstellt. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die zugeführte Kraftstoffmenge stufenweise zu verstellen. Im Verfahrensschritt 35 wird die sich ergebende Änderung der Drehzahl ausgewertet. Die Drehzahlinformation wird der Steuerung 25 durch den Generator 14 geliefert. Anhand der Drehzahlreaktion, also daran, ob die Drehzahl n nach Erhöhen der Kraftstoffmenge sinkt oder ansteigt, kann ermittelt werden, ob das zugeführte Kraftstoff/Luft-Gemisch zu fett oder zu mager eingestellt ist. Die Änderung der zugeführten Kraftstoffmenge erfolgt dann vorteilhaft in der Richtung so lange, bis das optimale Kraftstoff/Luft-Verhältnis erreicht wird, also wenn sowohl bei weiterem Anfetten als auch beim Abmagern eine Verringerung der Drehzahl n erfolgt. Dieses ermittelte optimale Kraftstoff/Luft-Verhältnis wird im Verfahrensschritt 36 genutzt, um die Kennlinie für die zuzuführende Kraftstoffmenge x über den gesamten Drehzahlbereich n einzustellen. Dabei kann je nach Arbeitsgerät ein optimales oder ein um einen bestimmten Kraft stoffanteil zu fettes oder zu mageres Gemisch eingestellt werden.
In 7 sind drei Kennlinien 27, 28 und 29 exemplarisch gezeigt, die jeweils den Verlauf der zuzuführenden Kraftstoffmenge x über der Drehzahl n angeben. Die Kennlinie 27 sieht für jede Drehzahl n die geringste zuzuführende Kraftstoffmenge x, also das magerste Gemisch vor, während die Kennlinie 29 für jede Drehzahl n die größte zuzuführende Kraftstoffmenge x angibt, so dass sich bei der Kennlinie 29 die niedrigste Luftzahl λ einstellt. Zwischen den Kennlinien 27, 28 und 29 kann die Kennlinie für die zuzuführende Kraftstoffmenge x verschoben oder eine geeignete Kennlinie ausgewählt werden. Die Auswahl der geeigneten Kennlinie ist abhängig von der im Betriebsdrehzahlbereich B ermittelten optimalen zuzuführenden Kraftstoffmenge x.
Im Abregelbereich kann die Einstellung der Kennlinie 27, 28, 29 aufgrund des Maximums der Austaktrate ASR_max erfolgen. Aufgrund der Lage des Maximums ASR_max der Austaktrate ASR wird demnach die Kennlinie der zuzuführenden Kraftstoffmenge x über den gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors 8 eingestellt. Anstatt des Maximus ASR_max kann zur Einstellung der Kennlinie auch ein vorgegebener prozentualer Anteil des Maximums ASR_max genutzt werden, beispielsweise die in 4 gezeigte Austaktrate ASR₉₀, die 90% der maximalen Austaktrate ASR_max beträgt. Bei der maximalen Austaktrate ASR_max liegt die leistungsoptimale Luftzahl λ₁ vor. Es kann vorgesehen sein, die Kennlinie 27, 28, 29 so zu verschieben, dass bei der Abregeldrehzahl n_a die leistungsoptimale Luftzahl λ₁ vorliegt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, eine Kennlinie 27, 28, 29 auszuwählen, bei der die Luftzahl λ bei der Abregeldrehzahl n_a einen vorgegebenen Abstand zur leistungsoptimalen Luftzahl λ₁ aufweist. Dabei kann es sowohl vorgesehen sein, eine Luftzahl λ zu wählen, die größer ist, um einen geringeren Kraftstoffverbrauch zu erreichen, als auch eine Luftzahl λ zu wählen, die kleiner als die leistungsoptimale Luftzahl λ₁ ist, um eine verbesserte Schmierung des Verbrennungsmotors 8 zu erreichen. Die zuzuführende Kraftstoffmenge x wird entsprechend der gewählten Luftzahl λ eingestellt bzw. die zugehörige Kennlinie 27, 28, 29 gewählt.
In 8 ist der Verlauf der Austaktrate ASR bei unterschiedlichen Motorlasten M_d1 und M_d2 gezeigt. Wie 8 zeigt, ergibt sich unabhängig von der Last M_d1, M_d2 jeweils ein Maximum der Austaktrate. Lediglich die Lage der Kurve, die die Austaktrate ASR angibt, verändert sich bei unterschiedlicher Last. Dadurch kann das vorgeschlagene Verfahren auch bei Verbrennungsmotoren 8 genutzt werden, die mit unterschiedlichen Werkzeugen betrieben werden. Dadurch, dass zur Regelung der zugeführten Kraftstoffmenge lediglich die maximale Austaktrate als ASR_max oder der Verlauf der Austaktrate ASR ermittelt wird, nicht jedoch deren absoluter Wert, ist die vorgeschlagene Regelung unabhängig von der Motorlast.
Es hat sich gezeigt, dass sich bei Verbrennungsmotoren, bei denen die Drehzahl durch Aussetzen der Zündung begrenzt wird, im Abregelbereich A ein kritisches Muster P_krit der Motorzyklen, zu denen keine Verbrennung stattfindet, einstellen kann. Dieses kritische, üblicherweise konstante Muster P_krit führt zu sehr hohen Drücken im Verbrennungsmotor 8. Es ergeben sich Schwingungen, die im Bereich der Eigenfrequenz des Antriebsstrangs des Arbeitsgeräts, beispielsweise des Freischneiders 1 liegen können. Dadurch können sich Resonanzeffekte mit hohen Belastungen für das Material und großen Schwingungen ergeben, die im Betrieb unerwünscht sind. Bei Verbrennungsmotoren 8, bei denen sich im Betrieb hohe Schwingungen einstellen, ist ein Betrieb im Abregelbereich A bisher nicht möglich. Um dennoch einen Betrieb im Abregelbereich A und damit auch die Steuerung des Motors durch Verstellung der Austaktrate ASR zu ermöglichen, ist vorgesehen, zusätzlich zur Ermittlung und Verstellung des Austaktrate ASR in die Zündung einzugreifen.
In 10 ist der Verlauf des Musters P der Motorzyklen, zu denen eine Zündung stattfindet, über der Zeit t exemplarisch gezeigt. Motorzyklen, zu denen eine Zündung stattfindet, sind durch einen senkrechten Strich gekennzeichnet. Zunächst stellt sich ein unregelmäßiges Muster P₁ ein. Darauf folgt ein regelmäßiges Muster P₂, bei dem auf jeweils sechs Motorzyklen mit einer Zündung ein Motorzyklus ohne Zündung folgt. Dieses Muster wird abgelöst von einem Muster P_krit, bei dem auf sieben Motorzyklen mit Zündung ein Motorzyklus ohne Zündung folgt. Ein Muster von insgesamt 16 Motorzyklen, bei dem jeweils nach sieben Motorzyklen mit Zündung ein Motorzyklus ohne Zündung erfolgt, stellt im Ausführungsbeispiel ein kritisches Muster P_krit dar. Die Motorsteuerung setzt deshalb zum Zeitpunkt t₅ die Zündung aus, und zwar unabhängig davon, ob die Drehzahl n größer als die Abregeldrehzahl n_a ist oder nicht. Durch den zusätzlichen Motorzyklus ohne Zündung wird das Muster der Motorzyklen ohne Verbrennung gestört und die Ausbildung einer Resonanzschwingung wird vermieden. Nach dem Zeitpunkt t₅ stellt sich ein Muster P₄ ein, das wieder unregelmäßig ist.
11 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens zur Motorsteuerung. Im Verfahrensschritt 37 wird das kritische Muster P_krit identifiziert. Dies kann bereits bei der Herstellung des Arbeitsgeräts oder beispielsweise regelmäßig im Betrieb erfolgen, beispielsweise durch Überwachung der sich einstellenden Schwingungen oder Druckverläufe. Im Verfahrensschritt 38 wird kontinuierlich das sich einstellende Muster P(t) überwacht. Das ermittelte Muster P(t) wird im Verfahrensschritt 39 mit dem kritischen Muster P_krit verglichen. Stimmt das Muster P(t) mit dem kritischen Muster P_krit überein, so wird im Verfahrensschritt 40 die Zündung im folgenden Motorzyklus ausgesetzt und dadurch das Muster gestört. Weicht das Muster P(t) vom kritischen Muster P_krit ab, wird nicht in die Zündung eingegriffen. Anschließend wird das Verfahren vom Verfahrensschritt 38 an wiederholt.
Die Überwachung des kritischen Musters P_krit der Motorzyklen ohne Zündung zum Gesamtverlauf der Motorzyklen erfolgt unabhängig von der Veränderung der Austaktrate ASR. Dadurch wird ermöglicht, dass auch bei Motoren, bei denen sich im Abregelbereich A eine Resonanzschwingung einstellen kann, eine Veränderung der Austaktrate ASR und die Motorsteuerung in Abhängigkeit eines Parameters im Abregelbereich A möglich ist. Die Drehzahlschwankungen des Verbrennungsmotors werden insgesamt geringer, so dass sich ein ruhigerer Lauf einstellt. Die vorgesehene Überwachung des Musters P kann auch vorgesehen sein, wenn die Austaktrate nicht verändert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19614464 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor (8) eine Zündeinrichtung, eine Einrichtung zur Zufuhr von Kraftstoff und eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl (n) des Verbrennungsmotors (8) besitzt, wobei der Verbrennungsmotor (8) eine zulässige Grenzdrehzahl (n_g) und oberhalb der Grenzdrehzahl (n_g) einen Abregelbereich (A) der Drehzahl (n) aufweist, wobei die Drehzahl (n) des Verbrennungsmotors (8) im Abregelbereich (A) durch Aussetzen der Zündung begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung im Abregelbereich (A) durch Aussetzen der Zündung in einzelnen Motorzyklen, in denen die Drehzahl (n) oberhalb einer im Abregelbereich (A) liegenden Abregeldrehzahl (n_a) liegt, begrenzt wird, und dass im Abregelbereich (A) die Austaktrate (ASR), die das Verhältnis der Anzahl der Motorzyklen, zu denen die Zündung ausgesetzt wird, zur Gesamtzahl der Zündungen angibt, verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austaktrate (ASR) durch Ändern der zugeführten Krafstoffmenge verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Kraftstoffmenge kontinuierlich verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Kraftstoffmenge zur Verstellung der Austaktrate (ASR) verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austaktrate (ASR) verstellt wird, bis sie auf unter 20%, insbesondere auf unter 10%, vorteilhaft auf etwa 0% gesunken ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelgröße für den Motor aus Parametern im Abregelbereich (A) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Abregelbereich (A) ein Maximum (ASR_max) der Austaktrate (ASR) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Maxiumum (ASR_max) der Austaktrate (ASR) oder ein prozentualer Anteil des Maximums (ASR_max) zur Einstellung einer Kennlinie (27, 28, 29) ge nutzt wird, die die zuzuführende Kraftstoffmenge (x) über der Drehzahl (n) angibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Grenzdrehzahl (n_g) zur Einstellung der Kennlinie (27, 28, 29), die die zuzuführende Krafstoffmenge (x) über der Drehzahl (n) angibt, das Kraftstoff/Luft-Verhältnis verändert und die sich aus dem veränderten Kraftstoff/Luft-Verhältnis ergebende Änderung der Drehzahl (n) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff/Luft-Verhältnis durch Änderung der zugeführten Kraftstoffmenge verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Zufuhr von Kraftstoff die zuzuführende Krafstoffmenge (x) für jeden Motorzyklus dosiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Abregelbereich (A) das Muster (P) der Motorzyklen, zu denen keine Zündung erfolgt, überwacht wird, und dass die Zündung im folgenden Motorzyklus ausgesetzt wird, wenn das Muster (P) mit einem kritischen Muster (P_krit) der Motorzyklen, zu denen keine Zündung erfolgt, übereinstimmt.