DE102008019088B4

DE102008019088B4 - Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102008019088B4
Application number: DE102008019088.8A
Authority: DE
Inventors: Heiko Rosskamp; Maier Georg; Tim Gegg; Wolfgang Layer; Arno Kinnen; Christine Hallé
Original assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Current assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2028-04-17
Also published as: DE102008064913B3; JP2008274949A; CN101298851B; JP5276888B2; US7814888B2; CN101298851A; DE102008064915B3; US20080264388A1; DE102008019088A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem Zylinder (2), in dem ein Brennraum (3) ausgebildet ist, wobei der Brennraum (3) von einem hin- und hergehend im Zylinder (2) gelagerten Kolben (5) begrenzt ist und wobei der Kolben (5) eine in einem Kurbelgehäuse (4) drehbar gelagerte Kurbelwelle (7) antreibt, mit einem Kraftstoffsystem (29), das mindestens ein Dosierventil (17) mit einer Austrittsöffnung (37) zur Zufuhr von Kraftstoff zu dem Verbrennungsmotor (1) umfasst, und mit einer Steuerung (28), wobei dem Dosierventil (17) Kraftstoff unter einem gegebenen, konstanten Druck (p, p', p) zugeführt wird und wobei die Steuerung (28) den Öffnungszeitpunkt (t, t', t") und den Schließzeitpunkt (t, t', t") des Dosierventils (17) unter Berücksichtigung des an der Austrittsöffnung (37) des Dosierventils (17) herrschenden Gegendrucks festlegt und das Dosierventil (17) so ansteuert, dass das Dosierventil (17) zu den festgelegten Zeitpunkten (t, t', t"; t, t', t") öffnet und schließt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors.
Es ist bekannt, einem Verbrennungsmotor Kraftstoff über ein Kraftstoffsystem mit Kraftstoffpumpe und Dosierventil zuzuführen.
Im Betrieb schwankt der im Brennraum und Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors herrschende Druck sehr stark. Der Druck schwankt dabei sowohl innerhalb eines Zyklus in Abhängigkeit der Kolbenstellung als auch in Abhängigkeit der Drehzahl und der Last. Bei Dosierventilen, die den Kraftstoff unter geringem Überdruck zum Verbrennungsmotor zuführen, wird die dem Verbrennungsmotor zugeführte Kraftstoffmenge von dem Druck im Verbrennungsmotor beeinflusst.
Um den Einfluss des schwankenden Drucks auf die dem Verbrennungsmotor zugeführte Kraftstoffmenge zu verringern, ist es bekannt, den Druck des Kraftstoffs, der dem Dosierventil zugeführt wird, nachzuführen. Dadurch bleibt die Druckdifferenz zwischen dem Kraftstoff und dem Verbrennungsmotor konstant.
Insbesondere bei sehr schnelllaufenden Motoren wie sie beispielsweise in handgeführten Arbeitsgeräten wie Motorsägen, Trennschleifern oder dergleichen eingesetzt werden und bei denen Drehzahlen von erheblich mehr als 10000 Umdrehungen pro Minute erreicht werden können, ist ein Nachführen des Drucks im Kraftstoffsystem nicht oder nur mit unverhältnismäßig großem Aufwand möglich.
Aus der EP 0 781 907 A1 ist eine selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Einspritzbeginn einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung derart geregelt wird, dass der Kompressionsdruck im Verbrennungsraum in Funktion der Last in einem oberen Teillastbereich konstant oder annähernd konstant bleibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors anzugeben, das auch bei schnelllaufenden Motoren die Zufuhr einer gewünschten Kraftstoffmenge zum Verbrennungsmotor erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die Steuerung den Öffnungszeitpunkt und/oder den Schließzeitpunkt des Dosierventils unter Berücksichtigung des tatsächlich herrschenden Gegendrucks festlegt, kann die zuzuführende Kraftstoffmenge auf einfache Weise vergleichsweise genau dosiert werden. Am Kraftstoffsystem müssen keine Veränderungen vorgenommen werden. Der Kraftstoff kann mit gegebenem, konstantem Druck zum Dosierventil gefördert werden. Eine Anpassung des Kraftstoffdrucks an den Kurbelgehäusedruck ist vermieden. Dadurch kann das Kraftstoffsystem einfach aufgebaut sein. Der gegebene Kraftstoffdruck stellt sich beispielsweise bei der Förderung des Kraftstoffs von einer vom schwankenden Kurbelgehäusedruck angetriebenen Pumpe ein. Dabei können sich Druckschwankungen beispielsweise dadurch ergeben, dass der Verbrennungsmotor über einen langen Zeitraum in Teillast betrieben wird. Auch beim Starten des Verbrennungsmotors steht kein ausreichender Unterdruck im Kurbelgehäuse zur Verfügung, um einen Überdruck des Kraftstoffs zu erzeugen. Vorteilhaft ist der Kraftstoffdruck jedoch im Wesentlichen konstant über alle Betriebszustände. Dies kann beispielsweise durch entsprechend ausgelegte Druckregler und Druckspeicher erreicht werden. Ein gesteuertes Nachführen des Kraftstoffdrucks ist nicht vorgesehen.
Das Dosierventil führt den Kraftstoff insbesondere in einen Bereich des Verbrennungsmotors zu, in dem Kurbelgehäusedruck herrscht. Kurbelgehäusedruck herrscht in den mit dem Kurbelgehäuse verbundenen Bereichen, bei einem Zweitaktmotor also auch in den Überströmkanälen. Geringfügige Druckunterschiede beispielsweise zwischen Kurbelgehäuse und Überströmkanälen können dabei vernachlässigt oder kompensiert werden. Der Kraftstoffdruck entspricht dabei vorteilhaft höchstens dem maximalen Kurbelgehäusedruck. Insbesondere ist der Kraftstoffdruck kleiner als der maximale Kurbelgehäusedruck. Dadurch kann zur Förderung des Kraftstoffs eine vom schwankenden Kurbelgehäusedruck angetriebene Pumpe, insbesondere eine Membranpumpe, verwendet werden. Der Kraftstoffdruck entspricht dabei vorteilhaft für mindestens einen, insbesondere für alle Betriebszustände höchstens dem höchsten Kurbelgehäusedruck in diesem Betriebszustand. Der maximale Kurbelgehäusedruck stellt sich dabei üblicherweise bei Volllast ein. In anderen Betriebszuständen liegt der höchste Kurbelgehäusedruck des jeweiligen Betriebszustands unterhalb des maximalen Kurbelgehäusedrucks.
Vorteilhaft führt das Dosierventil den Kraftstoff in einen Überströmkanal des Verbrennungsmotors zu. Der Verbrennungsmotor ist dabei insbesondere ein Zweitaktmotor. Vorteilhaft wird dem Dosierventil Kraftstoff unter einem Druck zugeführt, der Umgebungsdruck bis etwa 2 bar Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck beträgt. Der Druck beträgt insbesondere etwa 0,3 bar bis etwa 2 bar Überdruck und vorteilhaft etwa 0,5 bar bis etwa 1,5 bar Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck. Es kann zweckmäßig sein, dass der Kraftstoffdruck Umgebungsdruck bis etwa 0,5 bar Überdruck, insbesondere etwa 0,05 bar bis etwa 0,3 bar Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck entspricht. Für die Zufuhr von Kraftstoff unter einem so geringen Überdruck kann die Kraftstoffpumpe einfach ausgebildet sein. Auch das Dosierventil kann einen einfachen Aufbau besitzen. Bei einem Kraftstoffsystem, das den Kraftstoff mit sehr geringem Überdruck fördert, ist eine Berücksichtigung des tatsächlich herrschenden Gegendrucks am Dosierventil zur genauen Kraftstoffdosierung vorteilhaft, da aufgrund der geringen Druckdifferenz zum Druck im Inneren des Verbrennungsmotors die Schwankungen des Drucks im Verbrennungsmotor einen erheblichen Einfluss auf die zugeführte Kraftstoffmenge besitzen. Bei Dosierventilen, die Kraftstoff unter sehr hohem Druck zuführen, insbesondere bei Einspritzventilen, ist der Gegendruck dagegen in vielen Fällen vernachlässigbar klein.
Um eine gute Kraftstoffeinbringung und gleichzeitig einen geringen Überdruck des Kraftstoffs zu erreichen, ist vorgesehen, dass das Verhältnis des absoluten Kraftstoffdrucks zum absoluten Kurbelgehäusemitteldruck etwa 1,3 bis etwa 2,8, insbesondere etwa 1,7 bis etwa 2,2 beträgt. Der Kurbelgehäusemitteldruck ist dabei der mittlere Druck über eine gesamte Umdrehung der Kurbelwelle. Der Kraftstoffdruck und der Kurbelgehäusemitteldruck werden als absolute Drücke, also nicht als Relativdrücke gegenüber dem Umgebungsdruck, ins Verhältnis gesetzt. Der Kraftstoffdruck beträgt damit etwa das 1fache bis etwa das 3fache des Kurbelgehäusemitteldrucks. Aufgrund des geringen Kraftstoffdrucks kann die Kraftstoffpumpe einfach ausgebildet sein.
Die Einbringung des Kraftstoffs in den Überströmkanal soll vorteilhaft so erfolgen, dass eine Ladungsschichtung im Brennraum ermöglicht wird. Hierzu wird der Kraftstoff dann in den Überströmkanal eingebracht, wenn der Druck im Überströmkanal und damit auch der Druck im Kurbelgehäuse relativ hoch ist. Der Kraftstoff wird dabei vorteilhaft zugeführt, während der Überströmkanal zum Brennraum geöffnet ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das Dosierventil den Kraftstoff ins Kurbelgehäuse zuführt. Dabei ist eine Kraftstoffzufuhr direkt in den Kurbelgehäuseinnenraum vorgesehen. Im Kurbelgehäuse erfolgt eine Aufbereitung des eingebrachten Kraftstoffs durch die bewegten Teile im Kurbelgehäuse. Dadurch kann der Kraftstoff ins Kurbelgehäuse bei sehr geringem Überdruck eingebracht werden. Es ist vorgesehen, dass dem Dosierventil Kraftstoff unter einem Druck zugeführt wird, der Umgebungsdruck bis etwa 0,5 bar, insbesondere etwa 0,05 bar bis etwa 0,3 bar Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck beträgt. Dieser sehr geringe Überdruck ist ausreichend, um Kraftstoff ins Kurbelgehäuse einzubringen. Das Verhältnis des absoluten Kraftstoffdrucks zum absoluten Kurbelgehäusemitteldruck soll dabei vorteilhaft etwa 0,0 bis etwa 1,7, insbesondere etwa 0,9 bis etwa 1,2 betragen. Der Kraftstoffdruck bleibt dabei vorteilhaft für alle Betriebszustände konstant, während sich der Kurbelgehäusemitteldruck je nach Betriebszustand ändert.
Im Verlauf einer Umdrehung der Kurbelwelle schwankt der Kurbelgehäusedruck sehr stark und kann teilweise oberhalb des Drucks im Kraftstoffsystem liegen. Bei der Zufuhr des Kraftstoffs unter sehr geringem Überdruck ist deshalb vorgesehen, nur zu bestimmten Zeiten Kraftstoff zuzuführen. Im Leerlauf müssen nur geringe Kraftstoffmengen zugeführt werden. Um eine ausreichend genaue Dosierung zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass der Kraftstoff im Leerlauf zu einem Zeitpunkt zugeführt wird, zu dem im Kurbelgehäuse ein Druck herrscht, der zwischen Umgebungsdruck und etwa 0,3 bar Unterdruck, insbesondere zwischen Umgebungsdruck und etwa 0,1 bar Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck beträgt. Dies ist üblicherweise kurz nach dem unteren Totpunkt des Kolbens gegeben. Der Kurbelgehäusedruck ist in diesem Bereich annähernd konstant und liegt nur geringfügig unterhalb des Umgebungsdrucks. Der gleichmäßige, annähernd konstante Druck im Kurbelgehäuse bewirkt eine konstante Druckdifferenz zwischen dem Druck im Kraftstoffsystem und dem Kurbelgehäusedruck. Die Zeit, während der Kraftstoff zugeführt wird, ist in diesem Bereich deshalb etwa proportional zur zugeführten Kraftstoffmenge. Dies ermöglicht auf einfache Weise eine genaue Dosierung von Kraftstoff. Der Druckunterschied zwischen dem Kurbelgehäusedruck und dem Druck im Kraftstoffsystem ist vergleichsweise klein. Auch für die Zufuhr einer geringen Menge von Kraftstoff wird deshalb eine vergleichsweise lange Zeit benötigt. Bei der Zufuhr von Kraftstoff über ein Dosierventil reagiert das Ventil mit gewissen zeitlichen Toleranzen, die bei sehr kurzen Schaltzeiten des Ventils zu vergleichsweise großen Abweichungen der tatsächlich zugeführten Kraftstoffmenge von der zuzuführenden Kraftstoffmenge resultieren. Dies kann durch die vergleichsweise lange benötigte Zeitdauer zum Einbringen von Kraftstoff bei geringem Unterdruck im Kurbelgehäuse vermieden werden, so dass sich eine genaue Dosierung von Kraftstoff auf einfache Weise erreichen lässt.
Bei Volllast muss dem Verbrennungsmotor eine große Menge von Kraftstoff zugeführt werden. Um diese Kraftstoffmenge zuführen zu können, ist vorgesehen, dass der Kraftstoff bei Volllast zu einem Zeitpunkt zugeführt wird, zu dem der Druck im Kurbelgehäuse unterhalb des Kraftstoffdrucks liegt. Der Kurbelgehäusedruck soll dabei möglichst gering sein, so dass sich eine große Druckdifferenz zum Druck im Kraftstoffsystem ergibt. Es ist vorgesehen, dass das Dosierventil frühestens dann öffnet, wenn der Kurbelgehäusedruck unter den Druck des Kraftstoffs abgesunken ist. Dadurch kann vermieden werden, dass Luft aus dem Ansaugkanal ins Kraftstoffsystem gelangt. Das Dosierventil wird spätestens dann geschlossen, wenn der Kurbelgehäusedruck wieder auf den Wert des Drucks im Kraftstoffsystem angestiegen ist.
Zweckmäßig wird der an der Austrittsöffnung herrschende Gegendruck von einem Drucksensor gemessen, der im Austrittsraum angeordnet ist. Der Austrittsraum umfasst dabei alle Bereiche, die mit der Austrittsöffnung fluidisch verbunden sind und in denen damit etwa der an der Austrittsöffnung herrschende Druck herrscht. Der Austrittsraum steht dabei während der Dosierung von Kraftstoff mit der Austrittsöffnung in Verbindung. Es kann vorgesehen sein, dass der gemessene Gegendruck direkt berücksichtigt wird. Über den gemessenen Gegendruck passt die Steuerung Öffnungszeitpunkt und/oder Schließzeitpunkt des Dosierventils an. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Gegendruck über die Berücksichtigung der Last berücksichtigt wird. Die Last hat einen erheblichen Einfluss auf den Druck im Kurbelgehäuse, so dass es für die Anpassung von Öffnungszeitpunkt und/oder Schließzeitpunkt des Dosierventils ausreichend sein kann, die Last zu berücksichtigen. Als lastabhängiger Parameter wird vorteilhaft der Kurbelgehäusedruck erfasst. Es kann vorteilhaft sein, über den Kurbelgehäusedruck zunächst die Last zu erfassen und die Last bei der Ermittlung von Öffnungszeitpunkt und/oder Schließzeitpunkt des Dosierventils zu berücksichtigen, anstatt den Kurbelgehäusedruck als Gegendruck direkt zur Anpassung von Öffnungszeitpunkt und Schließzeitpunkt heranzuziehen. Dies ist davon abhängig, ob sich die Zusammenhänge als einfache Algorithmen oder Kennfelder darstellen lassen oder ob beispielsweise bei der direkten Berücksichtigung des Kurbelgehäusedrucks aufwendige Berechungen notwendig sind.
Als lastabhängiger Parameter wird insbesondere der Kurbelgehäusedruck erfasst. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass als lastabhängiger Parameter die Stellung eines in einem Ansaugkanal des Verbrennungsmotors angeordneten Drosselelements erfasst wird. Der Ansaugkanal führt dem Verbrennungsmotor Verbrennungsluft zu. Über die Stellung eines im Ansaugkanal angeordneten Drosselelements ist ein Rückschluss auf die Last des Verbrennungsmotors möglich. Bei vollständig geöffnetem Drosselelement läuft der Motor unter Volllast, während bei teilweise oder vollständig geschlossenem Drosselelement Teillastbetrieb bzw. Leerlaufbetrieb gegeben ist. Zweckmäßig besitzt das Drosselelement eine drehfest mit dem Drosselelement verbundene Drosselwelle und die Stellung des Drosselelements wird von einem Drosselwellensensor gemessen, der die Drehstellung der Drosselwelle erfasst. Auf diese Weise kann die Last einfach bestimmt werden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass als lastabhängiger Parameter der Druck in einem Ansaugkanal des Verbrennungsmotors erfasst wird. Der Druck wird dabei insbesondere stromab eines im Ansaugkanal angeordneten Drosselelements erfasst. Auch so ist auf einfache Weise eine Lastermittlung möglich.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Gegendruck über die Berücksichtigung der Motordrehzahl berücksichtigt wird. Auch die Drehzahl des Verbrennungsmotors besitzt einen Einfluss auf den Druck im Kurbelgehäuse und damit auf den Gegendruck an der Austrittsöffnung des Dosierventils. Die Drehzahl wird vorteilhaft über einen Generator ermittelt, der an der Kurbelwelle angeordnet ist. Der Generator kann gleichzeitig zur Erzeugung von Strom für weitere elektrische Verbraucher, insbesondere auch zur Stromversorgung der Steuerung, dienen. Vorteilhaft wird sowohl die Last als auch die Drehzahl bei der Berücksichtigung des Gegendrucks berücksichtigt.
Es ist vorgesehen, dass die Steuerung den Öffnungszeitpunkt und den Schließzeitpunkt in Abhängigkeit der zuzuführenden Kraftstoffmenge festlegt und dass die zuzuführende Kraftstoffmenge für jeden Zyklus des Verbrennungsmotors ermittelt wird. Dadurch, dass die zuzuführende Kraftstoffmenge zyklusgenau ermittelt wird, ergibt sich ein sehr gutes Laufverhalten des Verbrennungsmotors. Es ist eine schnelle Anpassung an geänderte Bedingungen möglich, so dass der Verbrennungsmotor schnell reagiert.
Vorteilhaft werden Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Dosierventils in Abhängigkeit der zuzuführenden Kraftstoffmenge über einen Referenzgegendruck ermittelt und mindestens einer der Zeitpunkte, also Öffnungszeitpunkt und/oder Schließzeitpunkt, in Abhängigkeit eines Parameters, der den Gegendruck an der Austrittsöffnung berücksichtigt, korrigiert. Dadurch, dass Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Dosierventils zunächst ermittelt und anschließend korrigiert werden, können sowohl die Ermittlung als auch die Korrektur der Zeitpunkte vergleichsweise einfach und damit sehr schnell erfolgen. Die Korrektur erfolgt dabei vorteilhaft über ein Kennfeld. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Korrektur über eine Berechnung erfolgt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die benötigte Kraftstoffmenge und mindestens ein Parameter, der den Gegendruck an der Austrittsöffnung berücksichtigt, ermittelt werden und Öffnungszeitpunkt und Schließzeitpunkt anhand der Kraftstoffmenge und des Parameters festgelegt werden. Eine Festlegung von Öffnungszeitpunkt und Schließzeitpunkt für einen Referenzgegendruck ist in diesem Fall nicht vorgesehen, vielmehr werden Öffnungszeitpunkt und Schließzeitpunkt direkt aus Kraftstoffmenge und Parameter festgelegt. Die Festlegung von Öffnungszeitpunkt und Schließzeitpunkt kann dadurch genauer erfolgen als bei der Korrektur zuvor festgelegter Zeitpunkte. Öffnungszeitpunkt und Schließzeitpunkt können anhand der Kraftstoffmenge und des Parameters über ein Kennfeld festgelegt oder berechnet werden.
Ein eigenständiger erfinderischer Gedanke betrifft die dem Verbrennungsmotor zuzuführende Kraftstoffmenge. Vorteilhaft wird dem Verbrennungsmotor pro Hub des Kolbens bezogen auf die Leistung des Verbrennungsmotors bei Vollast zwischen 0,0006 g und 0,0015 g Kraftstoff je Kilowatt zugeführt. Es ist vorgesehen, dass dem Verbrennungsmotor bei Vollast zwischen 0,025 g und 0,06 g Kraftstoff pro Zyklus des Verbrennungsmotors und pro Liter Hubraum zugeführt werden. Insbesondere beträgt die dem Verbrennungsmotor im Leerlauf zugeführte Kraftstoffmenge pro Zyklus etwa ein Drittel bis ein Viertel der Kraftstoffmenge, die dem Verbrennungsmotor bei Nenndrehzahl pro Zyklus zugeführt wird. Dadurch wird ein stabiles Laufverhalten des Verbrennungsmotors erreicht. Gleichzeitig können gute Abgaswerte erzielt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische, teilgeschnittene, perspektivische Ansicht eines Verbrennungsmotors,
2 bis 4 Diagramme des Druckverlaufs im Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors über eine Umdrehung der Kurbelwelle,
5 und 6 schematische Ablaufdiagramme für Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors,
7 eine schematische Darstellung eines Kennfelds zur Ermittlung des Öffnungszeitpunkts eines Ventils im Abhängigkeit von Last und Drehzahl,
8 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verbrennungsmotors,
9 und 10 Diagramme des Druckverlaufs im Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors und der Öffnungs- und Schließzeit des Dosierventils über eine Umdrehung der Kurbelwelle.

Der in 1 gezeigte Verbrennungsmotor 1 ist als Einzylinder-Zweitaktmotor ausgebildet und dient zum Antrieb eines Werkzeugs in einem handgeführten Arbeitsgerät wie einer Motorsäge, einem Trennschleifer, einem Freischneider oder dergleichen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch bei anderen Motoren anwendbar. Der Verbrennungsmotor 1 besitzt einen Zylinder 2, in dem ein Brennraum 3 ausgebildet ist. Der Brennraum 3 ist von einem Kolben 5 begrenzt. Der Kolben 5 ist im Zylinder 2 hin- und hergehend gelagert und treibt über ein Pleuel 6 eine in einem Kurbelgehäuse 4 drehbar gelagerte Kurbelwelle 7 an. Ins Kurbelgehäuse 4 führt ein vom Kolben 5 schlitzgesteuerter Ansaugkanal 12. Im Ansaugkanal 12 ist eine Drosselklappe 13 mit einer Drosselwelle 14 schwenkbar gelagert. Zur Betätigung der Drosselklappe 13 ist drehfest auf der Drosselwelle 14 ein Drosselhebel 15 angeordnet, an dem ein in 1 nicht gezeigter Gaszug angreifen kann. An der dem Drosselhebel 15 gegenüberliegenden Seite ist an der Drosselwelle 14 ein Drosselwellensensor 16 angeordnet, der beispielsweise als Potentiometer ausgebildet sein kann. Der Drosselwellensensor 16 ermittelt die Drehlage der Drosselwelle 14 und damit die Stellung der Drosselklappe 13. Der Verbrennungsmotor 1 besitzt eine Steuerung 28, mit der der Drosselwellensensor 16 verbunden ist. Der Ansaugkanal 12 mündet mit einem Einlass 8 am Zylinder 2. Aus dem Brennraum 3 führt ein Auslass 9, der etwa gegenüberliegend zum Einlass 8 am Umfang des Zylinders 2 angeordnet ist.
Im Bereich des in 1 gezeigten unteren Totpunkt des Kolbens 5 ist das Kurbelgehäuse 4 über auslassnahe Überströmkanäle 11 und einlassnahe Überströmkanäle 10 mit dem Brennraum 3 verbunden. Es sind zwei einlassnahe Überströmkanäle 10 und zwei auslassnahe Überströmkanäle 11 vorgesehen, von denen in 1 jeweils einer gezeigt ist. Die nicht gezeigten Überströmkanäle 10, 11 sind in 1 vor der den Auslass 9 teilenden Schnittebene angeordnet.
Zur Zufuhr von Kraftstoff besitzt der Verbrennungsmotor 1 ein Kraftstoffsystem 29, das einen Kraftstofftank 20, eine Kraftstoffpumpe 19, eine Kraftstoffleitung 18 und ein Dosierventil 17 umfasst. Die Kraftstoffpumpe 19 fördert Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 20 über die Kraftstoffleitung 18 zum Dosierventil 17. Die Kraftstoffpumpe 19 fördert den Kraftstoff unter einem konstanten Druck zum Dosierventil 17. Um einen konstanten Druck am Dosierventil sicherzustellen, kann ein Druckbegrenzungsventil in der Kraftstoffleitung 18 angeordnet sein. Das Dosierventil 17 ist an einem einlassnahen Überströmkanal 10 angeordnet und mündet mit einer Austrittsöffnung 37 in den einlassnahen Überströmkanal 10. Das Dosierventil 17 ist mit der Steuerung 28 verbunden. Die Steuerung 28 steuert das Öffnen und Schließen der Austrittsöffnung 37 des Dosierventils 17. Das Dosierventil 17 kann insbesondere ein elektromagnetisches Ventil sein.
Am Kurbelgehäuse 4 sind ein Drucksensor 21 und ein Temperatursensor 22 angeordnet. Der Drucksensor 21 misst den Druck p_KGH und die Temperatur im Kurbelgehäuse 4. Auch der Drucksensor 21 und der Temperatursensor 22 sind mit der Steuerung 28 verbunden.
Zusätzlich oder alternativ zu dem Drucksensor 21 ist ein Drucksensor 21' vorgesehen, der den Druck p_A im Ansaugkanal 12 stromab der Drosselklappe 13 misst. Auch der Drucksensor 21' ist mit der Steuerung 28 verbunden.
Außerhalb des Kurbelgehäuses 4 ist auf der Kurbelwelle 7 ein Generator 23 angeordnet, der aufgrund der Drehung der Kurbelwelle 7 Strom erzeugt. Gleichzeitig liefert der Generator 23 ein Signal, aus dem sich die Drehzahl n und die Position der Kurbelwelle 7 ermitteln läßt. Der Generator 23 wird von einem auf der Kurbelwelle 7 angeordneten Lüfterrad 24 übergriffen. Am Umfang des Lüfterrads 24 sind Polschuhe 26 angeordnet, die das Magnetfeld eines am Lüfterrad 24 angeordneten Dauermagneten zum Umfang des Lüfterrads leiten. Am Umfang des Lüfterrads 24 ist ein Zündmodul 25 angeordnet, in dem bei Drehung des Lüfterrads 24 aufgrund des Magneten eine Spannung induziert wird. Diese Spannung liefert die Zündspannung. In den Brennraum 3 des Verbrennungsmotors 1 ragt eine Zündkerze 27. Das Zündmodul 25 kann direkt mit der Zündkerze 27 verbunden sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Zündmodul 25 und die Zündkerze 27 mit der Steuerung 28 verbunden sind. Die Spannungsversorgung der Zündkerze 27 kann auch über den Generator 23 erfolgen. Der Generator 23 ist mit der Steuerung 28 verbunden, die das Generatorsignal auswertet und die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 1 und die Position der Kurbelwelle 7 ermittelt. Dabei kann die Position der Kurbelwelle 7 einmal oder mehrmals je Umdrehung der Kurbelwelle 7 ermittelt werden.
Im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 wird im Aufwärtshub des Kolbens 5 Verbrennungsluft über den Ansaugkanal 12 durch den Einlass 8 ins Kurbelgehäuse 4 angesaugt. Beim Abwärtshub des Kolbens 5 wird die Verbrennungsluft im Kurbelgehäuse 4 verdichtet. Sobald der abwärtsfahrende Kolben 5 die Überströmkanäle 10 und 11 zum Brennraum 3 hin öffnet, strömt die Verbrennungsluft aus dem Kurbelgehäuse 4 in den Brennraum 3 über. Das Dosierventil 17 führt der Verbrennungsluft Kraftstoff zu. Das entstehende Kraftstoff/Luft-Gemisch wird im Brennraum 3 vom aufwärtsfahrenden Kolben 5 verdichtet und im Bereich des oberen Totpunkts von der Zündkerze 27 gezündet. Durch die Verbrennung wird der Kolben 5 abwärts zum Kurbelgehäuse 4 beschleunigt. Sobald der Auslass 9 öffnet, entweichen Abgase aus dem Brennraum 3. Sobald die Überströmkanäle 10 und 11 zum Brennraum 3 öffnen, werden die restlichen im Brennraum 3 vorhandenen Abgase von der über die Überströmkanäle 10, 11 in den Brennraum 3 nachströmenden Verbrennungsluft ausgespült.
Die Kraftstoffpumpe 19 fördert zum Dosierventil 17 Kraftstoff unter einem konstanten Druck p₀ . Je nach Bauart der Kraftstofffördereinrichtung können sich für unterschiedliche Betriebszustände auch unterschiedliche Kraftstoffdrücke p₀ einstellen. Vorteilhaft wird der Kraftstoffdruck durch entsprechende Regeleinrichtungen und Steuereinrichtungen weitgehend konstant gehalten. Ein Nachführen des Kraftstoffdrucks p₀ in Abhängigkeit des an der Austrittsöffnung 37 herrschenden Drucks ist nicht vorgesehen. Der Druck p₀ beträgt vorteilhaft Umgebungsdruck bis etwa 2 bar Überdruck gegenüber der Umgebung. Insbesondere beträgt der Überdruck etwa 0,3 bar bis etwa 2 bar und vorteilhaft etwa 0,5 bar bis etwa 1,5 bar gegenüber dem Umgebungsdruck. Als besonders vorteilhaft wird ein Druck p₀ von etwa 1 bar Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck angesehen. Es kann jedoch auch ein Kraftstoffdruck p₀ ' vorgesehen sein, der maximal dem maximalen Kurgehäusedruck p_max entspricht und der insbesondere kleiner als der maximale Kurbelgehäusedruck p_max ist. Dies ist in 3 gezeigt. An der Austrittsöffnung 37 des Dosierventils 17 herrscht aufgrund der Bewegung des Kolbens 5 und aufgrund unterschiedlicher Lastzustände ein stark schwankender Druck. Der Druck an der Austrittsöffnung 37 entspricht dem Druck im Kurbelgehäuse 4, da der Überströmkanal 10 mit dem Kurbelgehäuse 4 verbunden ist. Der Druck an der Austrittsöffnung 37 entspricht dem Druck, der in dem mit der Austrittsöffnung 37 verbundenen Austrittsraum, im Ausführungsbeispiel also in den Überströmkanälen 10 und 11 und im Kurbelgehäuse 4, herrscht. Der Austrittsraum ist insbesondere der Raum, der während der Dosierung von Kraftstoff mit der Austrittsöffnung 37 verbunden ist.
In 2 ist der Kurbelgehäusedruck p_KGH über eine Umdrehung der Kurbelwelle 7 als Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck angegeben. Die Stellung der Kurbelwelle 7 ist dabei als Kurbelwellenwinkel α angegeben. Die Kurve 30 kennzeichnet den Relativdruck im Kurbelgehäuse 4 gegenüber dem Umgebungsdruck bei Volllast und die Kurve 31 den Relativdruck bei niedriger Teillast. Wie die 2 zeigt, schwankt der Kurbelgehäusedruck p_KGH über eine Umdrehung der Kurbelwelle 7 sehr stark und kann höher oder niedriger als der Umgebungsdruck sein. Der Kurbelwellenwinkel α von 180° kennzeichnet den unteren Totpunkt UT des Kolbens 5 und ein Kurbelwellenwinkel α von 360° bzw. 0° den oberen Totpunkt OT des Kolbens 5. Der Zeitpunkt ÜÖ kennzeichnet das Öffnen der Überströmkanäle 10 und 11 in den Brennraum 3 und der Zeitpunkt ÜS das Schließen der Überströmkanäle 10, 11 durch den Kolben 5. Der Druck p₀ kennzeichnet den Druck des Kraftstoffs, der aus der Austrittsöffnung 37 in den Überströmkanal 10 übertritt. Der Druck p₀ ist konstant und beträgt im Ausführungsbeispiel 1 bar. In 2 ist außerdem der Kurbelgehäusemitteldruck p_M , also der mittlere Druck im Kurbelgehäuse 4 über einen Zyklus des Verbrennungsmotors 1 exemplarisch für den in der Kurve 30 gezeigten Druckverlauf bei Volllast angegeben. Der Kraftstoffdruck p₀ ist dabei so gewählt, dass der als Absolutdruck angegebene Kraftstoffdruck p₀ bezogen auf den als Absolutdruck angegebenen Kurbelgehäusemitteldruck p_M etwa 1,3 bis etwa 2,8, insbesondere etwa 1,7 bis etwa 2,2 beträgt. Der Kraftstoffdruck p₀ ist dabei vorteilhaft über alle Betriebszustände konstant, während sich der Kurbelgehäusemitteldruck p_M je nach Betriebszustand ändert. Das sich ergebende Verhältnis aus absolutem Kraftstoffdruck zu absolutem Kurbelgehäusemitteldruck soll für alle Betriebszustände im angegebenen Wertebereich liegen. Vorteilhaft entspricht der Kraftstoffdruck p₀ ' höchstens etwa dem in 4 gezeigten maximalen Kurbelgehäusedruck p_max . Der maximale Kurbelgehäusedruck p_max stellt sich dabei beim Öffnen der Überströmkanäle 10, 11 zum Zeitpunkt ÜÖ ein. Der maximale Kurbelgehäusedruck p_max kennzeichnet insbesondere den größten sich im Kurbelgehäuse 4 einstellenden Druck über alle Betriebszustände des Verbrennungsmotors 1.
Im Betrieb bestimmt die Steuerung 28 des Verbrennungsmotors 1 für jeden Zyklus des Verbrennungsmotors 1 die zuzuführende Kraftstoffmenge. Der Begriff Zyklus bezieht sich bei einem Zweitaktmotor auf eine Umdrehung der Kurbelwelle 7. Bei einem Viertaktmotor umfasst ein Zyklus zwei Umdrehungen der Kurbelwelle. Die Steuerung 28 kann den zuzuführenden Kraftstoff beispielsweise in Abhängigkeit der Last L, der Temperatur und/oder der Drehzahl n des Verbrennungsmotors 1 bestimmen. Anhand der zuzuführenden Kraftstoffmenge legt die Steuerung 28 den Öffnungszeitpunkt t₁ und den Schließzeitpunkt t₂ für das Dosierventil 17 fest und steuert das Dosierventil 17 so an, dass das Dosierventil 17 zu den festgelegten Zeitpunkten t₁ , t₂ öffnet und schließt. Dabei kann einer der Zeitpunkte t₁ , t₂ festgelegt und der andere Zeitpunkt t₁ , t₂ von der Steuerung 28 in Abhängigkeit der zuzuführenden Kraftstoffmenge festgelegt werden. Es können auch beide Zeitpunkte t₁ , t₂ von der Steuerung 28 variabel festgelegt werden.
In niedriger Teillast ist vorgesehen, dass das Dosierventil 17 zur Zufuhr einer durch die Steuerung 28 ermittelten Kraftstoffmenge zum Zeitpunkt t₁ öffnet und zum Zeitpunkt t₂ schließt. Die Druckdifferenz zwischen dem Kraftstoffdruck p₀ und dem Kurbelgehäusedruck p_KGH zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ ist vergleichsweise groß. Zum Zeitpunkt t₁ besteht eine Druckdifferenz d₃ zum Kraftstoffdruck p₀ und zum Zeitpunkt t₂ eine Druckdifferenz d₄ . Die Druckdifferenzen d₃ und d₄ sind im Ausführungsbeispiel annähernd gleich groß. Der Kurbelgehäusedruck p_KGH ändert sich zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ zwar, die Änderung ist jedoch nur vergleichsweise gering.
Bei Volllast ist der Kurbelgehäusedruck p_KGH , wie die Kurve 30 zeigt, zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ erheblich größer. Der Differenzdruck d₁ zwischen dem Kraftstoffdruck p₀ und dem Kurbelgehäusedruck p_KGH ist zum Zeitpunkt t₁ bei Volllast erheblich geringer als der Differenzdruck d₃ bei niedriger Teillast. Auch die Druckdifferenz d₂ zum Zeitpunkt t₂ zwischen dem Kraftstoffdruck p₀ und dem Kurbelgehäusedruck p_KGH ist geringer als die Druckdifferenz d₄ bei niedriger Teillast. Die geringere Druckdifferenz führt dazu, dass bei gleichem Öffnungszeitpunkt t₁ und gleichem Schließzeitpunkt t₂ für das Dosierventil 17 bei Volllast eine geringere Kraftstoffmenge zugeführt wird als bei Teillast. Um dies auszugleichen, kann die Öffnungsdauer des Dosierventils 17 verlängert werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Schließzeitpunkt t₂ auf einen späteren Schließzeitpunkt t₂ ' oder der Öffnungszeitpunkt t₁ auf einen früheren Öffnungszeitpunkt t₁ ' verschoben wird. Es können auch sowohl der Öffnungszeitpunkt t₁ als auch der Schließzeitpunkt t₂ verschoben werden. Durch die Veränderung der Öffnungszeit des Dosierventils 17 kann die Öffnungsdauer an den Gegendruck an der Austrittsöffnung 37 des Dosierventils 17 angepasst werden.
Wie 2 zeigt, herrscht zum Zeitpunkt t₁ ' eine Druckdifferenz d₁ ' zum Kraftstoffdruck p₀ , die kleiner als die Druckdifferenz d₁ zum Zeitpunkt t₁ ist. Die Druckdifferenz d₂ ' zum Zeitpunkt t₂ ' ist größer als die Druckdifferenz d₂ zum Zeitpunkt t₂ . Auch diese geänderten Druckdifferenzen d₁ ', d₂ ' müssen bei der Anpassung der Öffnungszeit t₁ und der Schließzeit t₂ des Dosierventils 17 berücksichtigt werden. Um das unterschiedliche Druckniveau im Kurbelgehäuse und damit den Gegendruck an der Austrittsöffnung 37 zu berücksichtigen, kann beispielsweise der Schließzeitpunkt t₂ in Abhängigkeit des Öffnungszeitpunkts t₁ und in Abhängigkeit der Motorlast in einem Kennfeld hinterlegt werden. In dem Kennfeld kann auch ein Korrekturfaktor für den Schließzeitpunkt t₂ angegeben werden, mit dem ein Schließzeitpunkt, der für einen Referenzgegendruck ermittelt wurde, zu korrigieren ist.
Wie 2 zeigt, ist das Dosierventil 17 bei der Zufuhr von Kraftstoff in den Überströmkanal 10 nur zu Zeitpunkten geöffnet, die nach dem Öffnen des Überströmkanals 10 und vor dem Schließen des Überströmkanals 10 liegen. Die Zeitpunkte t₁ , t₂ , t₁ ' und t₂ ' liegen zwischen den Zeitpunkten ÜÖ und ÜS. Demnach wird Kraftstoff in den Überströmkanal 10 nur dann zugeführt, wenn der Überströmkanal 10 zum Brennraum 3 hin geöffnet ist und Verbrennungsluft aus dem Kurbelgehäuse 4 in den Brennraum 3 überströmt. Während dieser Zeit ist der Druck im Überströmkanal 10 vergleichsweise hoch. Dieser vergleichsweise hohe Gegendruck am Dosierventil 17 bewirkt eine gute Ladungsschichtung zwischen der Kraftstoff enthaltenden Verbrennungsluft im Überströmkanal 10 und der nur sehr geringe Mengen von Kraftstoff oder keinen Kraftstoff enthaltenden Verbrennungsluft im Kurbelgehäuse 4. Vor dem Öffnen des Dosierventils 17 strömt deshalb aus dem Kurbelgehäuse 4 weitgehend kraftstofffreie Luft in den Brennraum 3 ein. Diese kraftstofffreie Luft trennt den mit Verbrennungsluft vermischt nachströmenden Kraftstoff von den aus dem vorangegangenen Zyklus im Brennraum 3 angeordneten Abgasen. Dadurch können geringe Abgaswerte des Verbrennungsmotors erreicht werden.
In den Diagrammen der 3 ist ebenfalls der Kurbelgehäusedruck p_KGH für Volllast mit der Kurve 30 und für niedrige Teillast mit der Kurve 31 angegeben. Um eine Anpassung an den an der Austrittsöffnung 37 des Dosierventils 17 herrschenden Gegendruck vorzunehmen, muss nicht notwendigerweise die Öffnungsdauer des Dosierventils 17 geändert werden. Wie 3 zeigt, ist es auch möglich, den Öffnungszeitpunkt t₁ auf einen späteren Öffnungszeitpunkt t₁ " und den Schließzeitpunkt t₂ auf einen späteren Zeitpunkt t₂ " zu verschieben, um eine Anpassung an den Gegendruck zu erreichen. Der im Zeitpunkt t₁ " herrschende Differenzdruck d₁ " zum Kraftstoffdruck p₀ ist größer als der Differenzdruck d₁ zum Zeitpunkt t₁ . Ebenso ist der Differenzdruck d₂ " zum Zeitpunkt t₂ " größer als der Differenzdruck d₂ zum Zeitpunkt t₂ . Durch die Verschiebung von Öffnungszeitpunkt t₁ und Schließzeitpunkt t₂ auf einen späteren Zeitpunkt wird der Differenzdruck zwischen Kraftstoffdruck p₀ und Kurbelgehäusedruck p_KGH vergrößert. Dadurch wird die dem Verbrennungsmotor 1 zugeführte Kraftstoffmenge erhöht, ohne dass die Öffnungsdauer des Dosierventils 17 verändert wurde. Wie 3 zeigt, sind die Differenzdrücke d₁ ", d₂ " im Ausführungsbeispiel immer noch geringer als die Differenzdrücke d₃ , d₄ zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ bei niedriger Teillast, die durch die Kurve 31 gezeigt ist. Durch das Verschieben von Öffnungszeitpunkt t₁ und Schließzeitpunkt t₂ kann im Ausführungsbeispiel keine vollständige Kompensation des Gegendrucks am Dosierventil 17 erreicht werden. Es kann deshalb zusätzlich eine Verlängerung der Öffnungszeit vorgesehen sein.
In 4 ist der Kurbelgehäusedruck p_KGH ebenfalls über dem Kurbelwellenwinkel α aufgetragen. Die Kurve 32 zeigt den Druckverlauf im Kurbelgehäuse 4 bei einer ersten, niedrigen Drehzahl und die Kurve 33 den Druckverlauf bei einer zweiten, hohen Drehzahl. Wie 4 zeigt, ist der Druck bei hohen Drehzahlen zwischen dem Öffnen und Schließen der Überströmkanäle bis auf einen kurzen Zeitraum nach dem Öffnen der Überströmkanäle größer als der Druck bei niedrigen Drehzahlen. Auch die Drehzahl hat demnach einen Einfluss auf den Gegendruck an der Austrittsöffnung 37 des Dosierventils 17. Beide Kurven 32, 33 zeigen den Druckverlauf bei der gleichen Last, nämlich bei Volllast. Um dem Verbrennungsmotor 1 eine von der Steuerung 28 festgelegte Kraftstoffmenge zuzuführen, muss bei der ersten, niedrigen Drehzahl (Kurve 32) das Dosierventil 17 zum Zeitpunkt t₁ geöffnet und zum Zeitpunkt t₂ geschlossen werden. Bei einer zweiten, hohen Drehzahl (Kurve 33) ist der Differenzdruck zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ zum Druck p₀ des Kraftstoffs (2 und 3) geringer, so dass bei gleichem Öffnungs- und Schließzeitpunkt eine geringere Menge von Kraftstoff zugeführt wird. Um die gleiche Kraftstoffmenge wie bei niedriger Drehzahl zuzuführen, kann der Öffnungszeitpunkt t₁ auf einen früheren Öffnungszeitpunkt t₁ ' und der Schließzeitpunkt t₂ auf einen späteren Schließzeitpunkt t₂ ' verschoben werden. Es kann auch vorgesehen sein, den Öffnungszeitpunkt t₁ oder den Schließzeitpunkt t₂ zu verschieben. Zur Anpassung kann auch vorgesehen sein, sowohl den Öffnungszeitpunkt t₁ als auch den Schließzeitpunkt t₂ auf einen späteren Zeitpunkt zu verschieben und dabei die Öffnungsdauer des Dosierventils 17 unverändert zu lassen, wie in 3 zur Anpassung an unterschiedliche Lasten beschrieben.
Die 5 und 6 zeigen schematisch Verfahren zur Berücksichtigung des Gegendrucks an der Austrittsöffnung 37 des Dosierventils 17. Das Verfahren nach 5 sieht im Verfahrensschritt 38 vor, die zuzuführende Kraftstoffmenge zu ermitteln. Im Verfahrensschritt 39 werden für die zuzuführende Kraftstoffmenge der Öffnungszeitpunkt t₁ und der Schließzeitpunkt t₂ für das Dosierventil 17 für einen Referenzgegendruck ermittelt. Im Verfahrensschritt 40 werden ein oder mehrere Parameter zur Berücksichtigung des Gegendrucks an der Austrittsöffnung 37 ermittelt. Die Parameter können beispielsweise der Druck im Kurbelgehäuse, die Last des Verbrennungsmotors oder die Drehzahl des Verbrennungsmotors sein. Die Last kann dabei über den Druck p_KGH im Kurbelgehäuse, über die Stellung eines im Ansaugkanal angeordneten Drosselelements oder über den Druck p_A im Ansaugkanal berücksichtigt werden. Der Druck p_KGH wird von dem Drucksensor 21 gemessen, der Druck p_A vom Drucksensor 21' und die Stellung der Drosselklappe 13 wird vom Drosselwellensensor 16 gemessen. Vorteilhaft wird der Gegendruck über mehrere Parameter, beispielsweise über die Last und die Drehzahl berücksichtigt, so dass sich eine vergleichsweise genaue Dosierung des Kraftstoffs erreichen lässt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den Gegendruck nur teilweise zu kompensieren und nur einen der Parameter, insbesondere die Drehzahl, zu berücksichtigen.
Im Verfahrensschritt 41 werden der Öffnungszeitpunkt t₁ und/oder der Schließzeitpunkt t₂ in Abhängigkeit der Parameter, mit denen der Gegendruck berücksichtigt wird, korrigiert. Dabei kann einer der Zeitpunkte korrigiert werden, es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass beide Zeitpunkte korrigiert werden. Die Korrektur kann insbesondere über ein Kennfeld oder über eine Berechnung erfolgen. Bei der Korrektur wird vorteilhaft der Druckverlauf des Gegendrucks in Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels berücksichtigt. Im Verfahrensschritt 42 wird das Dosierventil 17 von der Steuerung 28 zu den festgelegten Zeitpunkten geöffnet bzw. geschlossen.
Das in 6 skizzierte Verfahren sieht im Verfahrensschritt 43 ebenfalls die Ermittlung der in einem Zyklus zuzuführenden Kraftstoffmenge vor. Die Ermittlung erfolgt dabei ebenso wie im Verfahren aus 5. In Verfahrensschritt 44 werden Parameter zur Berücksichtigung des Gegendrucks ermittelt. Dieser Verfahrensschritt entspricht dem Verfahrensschritt 40 aus 5. Im Verfahrensschritt 45 werden der Öffnungs- und der Schließzeitpunkt für das Dosierventil 17 anhand der zuzuführenden Kraftstoffmenge und anhand des oder der Parameter zur Berücksichtigung des Gegendrucks direkt ermittelt. Die Ermittlung kann dabei über ein oder mehrere Kennfelder oder über eine Berechnung erfolgen. Im Verfahrensschritt 46 wird das Dosierventil 17 zu den ermittelten Zeitpunkten t₁ , t₂ geöffnet und geschlossen.
In 7 ist schematisch ein Kennfeld zur Ermittlung des Öffnungszeitpunkts t₁ für das Dosierventil 17 gezeigt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Schließzeitpunkt t₂ konstant gehalten. Der Öffnungszeitpunkt t₁ ist als Kurbelwellenwinkel α angegeben. Der Öffnungszeitpunkt t₁ liegt zeitlich vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 5. Ein größerer Kurbelwellenwinkel α kennzeichnet damit einen späteren Öffnungszeitpunkt t₁ , also bei gleichem Schließzeitpunkt t₂ eine kürzere Öffnungsdauer des Dosierventils 17. In dem Kennfeld ist der Öffnungszeitpunkt t₁ in Abhängigkeit der Last L und der Drehzahl n schematisch dargestellt. Dabei ist jeder Kombination von Last L und Drehzahl n ein Öffnungszeitpunkt t₁ zugeordnet, so dass sich aus dem Kennfeld für jede Kombination von Last L und Drehzahl n ein Öffnungszeitpunkt t₁ ermitteln lässt.
8 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 1, dessen Aufbau im Wesentlichen dem im 1 gezeigten Verbrennungsmotor 1 entspricht. Dabei sind in 8 der Einfachheit halber nicht alle Komponenten des Verbrennungsmotors 1 wie Sensoren, Steuerung und dgl. gezeigt. Der in 8 gezeigte Verbrennungsmotor 1 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Verbrennungsmotor 1 dadurch, dass das Dosierventil 17 nicht an einem Überströmkanal 10, 11 angeordnet ist, sondern am Kurbelgehäuse 4. Das Dosierventil 17 führt demnach Kraftstoff direkt in den Kurbelgehäuseinnenraum zu. Wie 8 zeigt, ist der Ansaugkanal 12 mit einem Luftfilter 34 verbunden, über den Umgebungsluft ins Kurbelgehäuse 4 angesaugt wird.
9 zeigt mit einer Kurve 48 den Druckverlauf im Kurbelgehäuse 4 im Leerlauf des Verbrennungsmotors 1. Die Kurve 48 gibt den Druck dabei als Absolutdruck an. Der Umgebungsdruck p_U ist mit einer gestrichelten Linie eingezeichnet. Ebenfalls gestrichelt ist der sich ergebende Kurbelgehäusemitteldruck p_M angegeben. Der Kurbelgehäusemitteldruck p_M liegt unterhalb des Umgebungsdrucks p_U . Dem Dosierventil 17 wird Kraftstoff unter einem Kraftstoffdruck p₁ zugeführt. Der Kraftstoffdruck p₁ beträgt vorteilhaft Umgebungsdruck bis etwa 0,5 bar, insbesondere etwa 0,05 bar bis etwa 0,3 bar Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck p_U . Im gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Druck p₁ des Kraftstoffs etwa 0,1 bar Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck p_U . Die genannten Druckbereiche für die Kraftstoffzufuhr ins Kurbelgehäuse 4 können auch für die Kraftstoffzufuhr in den Überströmkanal 10 vorteilhaft sein.
Wie 9 zeigt, ist im Leerlauf vorgesehen, das Dosierventil 17 zu einem Zeitpunkt t₁ kurz nach dem unteren Totpunkt UT des Kolbens 5 zu öffnen und zu einem Zeitpunkt t₂ kurz vor dem Schließen der Überströmkanäle ÜS zu schließen. Das Dosierventil 17 führt demnach Kraftstoff zu, während die Überströmkanäle 10, 11 zum Brennraum 3 hin geöffnet sind. Während dieser Zeitspanne kurz nach dem unteren Totpunkt UT des Kolbens 5 ist der Kurbelgehäusedruck p_KGH annähernd konstant und liegt im Bereich des Umgebungsdrucks p_U . Der Kurbelgehäusedruck pKGH liegt dabei vorteilhaft zwischen dem Umgebungsdruck p_U und etwa 0,3 bar Unterdruck, insbesondere zwischen dem Umgebungsdruck p_U und etwa 0,1 bar Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck p_U . Aufgrund der geringen Druckdifferenz zwischen dem Kraftstoffdruck p₁ und dem Kurbelgehäusedruck p_KGH können auch kleine Mengen Kraftstoff genau dosiert werden. Da der Kurbelgehäusedruck p_KGH annähernd konstant ist, ist die Öffnungsdauer des Dosierventils 17 etwa proportional zur zugeführten Kraftstoffmenge, so dass die Öffnungsdauer und damit der Öffnungszeitpunkt t₁ und der Schließzeitpunkt t₂ auf einfache Weise festgelegt werden können. Wie 9 zeigt, ist der Kraftstoffdruck p₁ geringer als der höchste Kurbelgehäusedruck p_KGH im Leerlauf.
10 zeigt den Verlauf des Kurbelgehäusedrucks p_KGH bei Volllast. Dabei gibt die Kurve 49 den Absolutdruck im Kurbelgehäuse bei einer mittleren Drehzahl und die Kurve 50 den Absolutdruck im Kurbelgehäuse bei einer hohen Drehzahl an. Der sich ergebende Kurbelgehäusemitteldruck p_M ist exemplarisch für den Druckverlauf bei der Kurve 50 gezeigt. Der Kraftstoffdruck p₁ liegt deutlich unter dem maximalen Kurbelgehäusedruck p_max und auch unter dem Kurbelgehäusemitteldruck p_M . Der maximale Kurbelgehäusedruck p_max stellt sich dabei bei Volllast ein. Der Kraftstoffdruck p₁ ist dabei auch größer als der höchste Kurbelgehäusedruck p_KGH , der sich im Leerlauf und bei Teillast bzw. bei mittlerer Drehzahl einstellt.
Bei dem durch die Kurve 49 angedeuteten Druckverlauf ist vorgesehen, das Dosierventil 17 zu einem Zeitpunkt t₁ zu öffnen, der vor dem Schließen der Überströmkanäle 10, 11 liegt. Das Dosierventil 17 wird zu einem Zeitpunkt t₂ geschlossen, der vor dem oberen Totpunkt liegt. Sowohl zum Zeitpunkt t₁ als auch zum Zeitpunkt t₂ liegt der Kurbelgehäusedruck p_KGH unterhalb des Kraftstoffdrucks p₁ . Dadurch ist gewährleistet, dass Kraftstoff ins Kurbelgehäuse angesaugt wird und keine Verbrennungsluft aus dem Kurbelgehäuse 4 ins Kraftstoffsystem eintreten kann.
Bei dem durch die Kurve 50 angedeuteten Druckverlauf im Kurbelgehäuse bei hohen Drehzahlen ist vorgesehen, das Dosierventil 17 zu einem Zeitpunkt t₁ ' zu öffnen, der nach dem Schließen der Überströmkanäle ÜS liegt. Zum Zeitpunkt t₁ ' liegt der Kurbelgehäusedruck p_KGH geringfügig unterhalb des Kraftstoffdrucks p₁ . Das Dosierventil 17 wird bei dem durch die Kurve 50 gezeigten Druckverlauf zu einem Zeitpunkt t₂ ' geschlossen, der nach dem oberen Totpunkt OT liegt und bei dem der Kurbelgehäusedruck p_KGH etwa dem Umgebungsdruck p_U entspricht. Die Zeitpunkte t₁ , t₁ ', t₂ und t₂ ' sind so gewählt, dass der Kurbelgehäusedruck p_KGH unterhalb des Kraftstoffdrucks p₁ liegt. Die Schließzeitpunkte t₂ und t₂ ' können dabei später gewählt werden, falls eine größere Kraftstoffmenge zugeführt werden soll. Die Zeitpunkte t₂ und t₂ ' werden dabei vorteilhaft so gewählt, dass die Schließzeitpunkte t₂ und t₂ ' vor dem Zeitpunkt liegen, zu dem der Kurbelgehäusedruck p_KGH über den Kraftstoffdruck p₁ ansteigt.
Für die Zufuhr von Kraftstoff direkt ins Kurbelgehäuse ist vorgesehen, dass das Verhältnis des absoluten Kraftstoffdrucks p₁ zum absoluten Kurbelgehäusemitteldruck p_M etwa 0,0 bis etwa 1,7, insbesondere etwa 0,9 bis etwa 1,2 beträgt. Dies gilt vorteilhaft für alle Betriebszustände. Dadurch, dass das Dosierventil 17 nur dann geöffnet wird, wenn der Kurbelgehäusedruck p_KGH unterhalb des Kraftstoffdrucks p₁ liegt, kann der Kraftstoffdruck p₁ sehr niedrig gewählt werden. Dadurch ergibt sich ein einfacher Aufbau des Kraftstoffsystems. Vorteilhaft liegt der Kraftstoffdruck p₁ für alle Betriebszustände unterhalb des maximalen Kurbelgehäusedrucks p_max . Insbesondere für hohe Drehzahlen, vorteilhaft auch für mittlere Drehzahlen ist vorgesehen, dass der Kraftstoffdruck p₁ maximal dem Kurbelgehäusemitteldruck p_M entspricht.
Ein eigenständiger erfinderischer Gedanke betrifft die dem Verbrennungsmotor 1 pro Hub des Kolbens 5 zuzuführende Kraftstoffmenge. Bei Vollast beträgt die zuzuführende Kraftstoffmenge pro Hub des Kolbens vorteilhaft zwischen 0,0006 g/kW und 0,0015 g/kW. Bezogen auf den Hubraum beträgt die zuzuführende Kraftstoffmenge vorteilhaft 0,025 g bis 0,06 g pro Hub des Kolbens 5 und pro Liter Hubraum. Mit diesen zugeführten Kraftstoffmengen kann ein ruhiger Lauf des Verbrennungsmotors 1 erreicht werden. Gleichzeitig können die Abgaswerte gering gehalten werden. Die im Leerlauf zugeführte Kraftstoffmenge beträgt pro Motorzyklus vorteilhaft etwa ein Drittel bis ein Viertel der Kraftstoffmenge, die bei Nenndrehzahl pro Motorzyklus zugeführt wird. Das Dosierventil 17 ist so ausgebildet, dass die genannten Kraftstoffmengen bei jedem Zyklus des Verbrennungsmotors 1 zugeführt werden können. Die zuzuführenden Kraftstoffmengen sind insbesondere bei der Ausbildung des Verbrennungsmotors 1 als Einzylinder-Zweitaktmotor vorteilhaft. Die genannten Kraftstoffmengen sind auch für den Betrieb eines Verbrennungsmotors vorteilhaft, bei dem Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Dosierventils nicht unter Berücksichtigung des Gegendrucks an der Austrittsöffnung des Dosierventils festgelegt werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem Zylinder (2), in dem ein Brennraum (3) ausgebildet ist, wobei der Brennraum (3) von einem hin- und hergehend im Zylinder (2) gelagerten Kolben (5) begrenzt ist und wobei der Kolben (5) eine in einem Kurbelgehäuse (4) drehbar gelagerte Kurbelwelle (7) antreibt, mit einem Kraftstoffsystem (29), das mindestens ein Dosierventil (17) mit einer Austrittsöffnung (37) zur Zufuhr von Kraftstoff zu dem Verbrennungsmotor (1) umfasst, und mit einer Steuerung (28), wobei dem Dosierventil (17) Kraftstoff unter einem gegebenen, konstanten Druck (p₀, p₀', p₁) zugeführt wird und wobei die Steuerung (28) den Öffnungszeitpunkt (t₁, t₁', t₁") und den Schließzeitpunkt (t₂, t₂', t₂") des Dosierventils (17) unter Berücksichtigung des an der Austrittsöffnung (37) des Dosierventils (17) herrschenden Gegendrucks festlegt und das Dosierventil (17) so ansteuert, dass das Dosierventil (17) zu den festgelegten Zeitpunkten (t₁, t₁', t₁"; t₂, t₂', t₂") öffnet und schließt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventil (17) den Kraftstoff in einen Bereich des Verbrennungsmotors (1) zuführt, in dem Kurbelgehäusedruck (p_KGH) herrscht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffdruck (p₀', p₁) höchstens dem maximalen Kurbelgehäusedruck (p_max) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventil (17) den Kraftstoff in einen Überströmkanal (10, 11) des Verbrennungsmotors (1) zuführt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Dosierventil (17) Kraftstoff unter einem Druck (p₀, p₀') zugeführt wird, der Umgebungsdruck (pu) bis etwa 2 bar, insbesondere etwa 0,3 bar bis etwa 2 bar Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck (pu) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des absoluten Kraftstoffdrucks (p₀, p₀') zum absoluten Kurbelgehäusemitteldruck (p_M) etwa 1,3 bis etwa 2,8, insbesondere etwa 1,7 bis etwa 2,2 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Überströmkanal (10, 11) Kraftstoff zugeführt wird, während der Überströmkanal (10, 11) zum Brennraum (3) geöffnet ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventil (17) den Kraftstoff ins Kurbelgehäuse (4) zuführt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Dosierventil (17) Kraftstoff unter einem Druck (p₁) zugeführt wird, der Umgebungsdruck (pu) bis etwa 0,5 bar, insbesondere etwa 0,05 bar bis etwa 0,3 bar Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck (pu) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des absoluten Kraftstoffdrucks (p₁) zum absoluten Kurbelgehäusemitteldruck (p_M) etwa 0,0 bis etwa 1,7, insbesondere etwa 0,9 bis etwa 1,2 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff im Leerlauf zu einem Zeitpunkt zugeführt wird, zu dem im Kurbelgehäuse (4) ein Druck (p_KGH) herrscht, der zwischen Umgebungsdruck (pu) und etwa 0,3 bar Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck (pu) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der an der Austrittsöffnung (37) herrschende Gegendruck von einem Drucksensor (21) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Gegendruck direkt berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendruck über die Berücksichtigung der Last (L) berücksichtigt wird, wobei als lastabhängiger Parameter der Kurbelgehäusedruck (p_KGH) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendruck über die Berücksichtigung der Last (L) berücksichtigt wird, wobei als lastabhängiger Parameter die Stellung eines in einem Ansaugkanal (12) des Verbrennungsmotors (1) angeordneten Drosselelements erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendruck über die Berücksichtigung der Last (L) berücksichtigt wird, wobei als lastabhängiger Parameter der Druck (p_A) in einem Ansaugkanal (12) des Verbrennungsmotors (1) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendruck über die Berücksichtigung der Motordrehzahl (n) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (n) über einen Generator (23) ermittelt wird, der an der Kurbelwelle (7) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (28) den Öffnungszeitpunkt (t₁, t₁', t₁") und den Schließzeitpunkt (t₂, t₂', t₂") in Abhängigkeit der zuzuführenden Kraftstoffmenge festlegt und dass die zuzuführende Kraftstoffmenge für jeden Zyklus des Verbrennungsmotors (1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungszeitpunkt (t₁) und der Schließzeitpunkt (t₂) des Dosierventils (17) in Abhängigkeit der zuzuführenden Kraftstoffmenge für einen Referenzgegendruck ermittelt und mindestens einer der Zeitpunkte (t₁, t₂) in Abhängigkeit eines Parameters, der den Gegendruck an der Austrittsöffnung (37) berücksichtigt, korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur über ein Kennfeld erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur über eine Berechnung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die benötigte Kraftstoffmenge und mindestens ein Parameter, der den Gegendruck an der Austrittsöffnung (37) berücksichtigt, ermittelt werden und dass Öffnungszeitpunkt (t₁, t₁', t₁") und Schließzeitpunkt (t₂, t₂', t₂") anhand der Kraftstoffmenge und des Parameters festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungszeitpunkt (t₁, t₁' , t₁") und Schließzeitpunkt (t₂, t₂' , t₂") anhand der Kraftstoffmenge und des Parameters über ein Kennfeld festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungszeitpunkt (t₁, t₁', t₁") und Schließzeitpunkt (t₂, t₂', t₂") anhand der Kraftstoffmenge und des Parameters berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verbrennungsmotor (1) bei Vollast pro Hub des Kolbens bezogen auf die Leistung des Verbrennungsmotors (1) 0,0006 g bis 0,0015 g Kraftstoff pro Kilowatt zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verbrennungsmotor (1) bei Vollast 0,025 g bis 0,006 g Kraftstoff pro Motorzyklus und pro Liter Hubraum zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verbrennungsmotor (1) im Leerlauf je Motorzyklus etwa ein Drittel bis ein Viertel der Kraftstoffmenge, die dem Verbrennungsmotor (1) bei Nenndrehzahl je Motorzyklus zuzuführen ist, zugeführt wird.