DE102009053047A1

DE102009053047A1 - Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102009053047A1
Application number: DE102009053047A
Authority: DE
Inventors: Claus Dipl.-Ing. Naegele; Mark Dr.-Ing. Reichler; Karsten Dipl.-Ing. Schmidt; Isgard Dipl.-Ing. Sabelberg
Original assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Current assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-05-19
Also published as: US20110114055A1; JP2011106457A; CN102062008A

Abstract

Ein Verbrennungsmotor (1) besitzt einen Vergaser (17) zur Zufuhr von Kraftstoff/Luft-Gemisch, in dem ein Ansaugkanal (16) ausgebildet ist. In den Ansaugkanal (16) wird Kraftstoff aufgrund des sich im Betrieb ausbildenden Unterdrucks angesaugt. Die in den Ansaugkanal (16) angesaugte Kraftstoffmenge wird mindestens teilweise von einem elektromagnetischen Kraftstoffventil (23) gesteuert, das in stromlosem Zustand geöffnet ist. Der Verbrennungsmotor (1) besitzt eine Einrichtung zur Zündung von Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum (3) des Verbrennungsmotors (1) und einen Stoppschalter (74) zum Ausschalten der Zündung. Außerdem sind eine Steuerung (20) und eine Einrichtung (75) zur Energieversorgung vorgesehen. Ein Verfahren zum Betrieb des Verbrennungsmotors (1) sieht vor, dass das Kraftstoffventil (23) von der Steuerung (20) nach dem Betätigen des Stoppschalters (74) geschlossen gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Aus der DE 102 42 816 A1 ist ein elektromagnetisches Ventil bekannt, das in stromlosem Zustand geöffnet ist. Dieses Ventil kann genutzt werden, um einem Verbrennungsmotor Kraftstoff zuzuführen.
Aus der DE 103 35 345 A1 ist eine Vergaseranordnung für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei der ein schaltbares Ventil genutzt wird, um die dem Ansaugkanal zugeführte Kraftstoffmenge zu steuern. Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung eines stromlos offenen Ventils zum Steuern der zugeführten Kraftstoffmenge das erneute Starten des Verbrennungsmotors erschwert sein kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art anzugeben, mit dem ein einfaches Starten bei einfachem Aufbau des Verbrennungsmotors erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei bekannten Verbrennungsmotoren wird mit dem Ausschalten der Zündung über den Stoppschalter auch die Energiezufuhr zum Kraftstoffventil unterbrochen. Beim Einsatz eines stromlos offenen Kraftstoffventils führt dies dazu, dass das Kraftstoffventil aufgrund seines stromlosen Zustands wieder öffnet. Da nach dem Kurzschließen der Zündung die Kurbelwelle noch weiter rotiert, entsteht im Ansaugkanal weiterhin ein Unterdruck, der dazu führt, dass weiter Kraftstoff angesaugt wird. Um dies zu vermeiden, wurde nun vorgeschlagen, das stromlos offene Ventil nach dem Schließen des Stoppschalters, also nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors, aktiv weiter zu bestromen und dadurch geschlossen zu halten.
Derartige Verbrennungsmotoren können in handgeführten Arbeitsgeräten wie Motorsägen, Trennschleifern, Freischneidern, Rasenmähern oder dgl. eingesetzt werden. Diese Arbeitsgeräte sollen ein möglichst geringes Gewicht besitzen. Deshalb ist hier üblicherweise kein permanenter Energiespeicher wie beispielsweise eine Batterie, ein Akku oder dgl. vorhanden. Um das Ventil nach dem Schließen des Stoppschalters möglichst lange geschlossen halten zu können, muss die vorhandene Energie möglichst effizient genutzt werden. Hierzu ist vorgesehen, dass das Kraftstoffventil nur dann geschlossen gehalten wird, wenn Unterdruck im Ansaugkanal herrscht. Wenn der Ansaugkanal zum Kurbelgehäuse hin beispielsweise durch das Kolbenhemd verschlossen ist, ist kein aktives Schließen des Kraftstoffventils nötig, da bei geschlossenem Ansaugkanal kein nennenswerter Unterdruck herrscht und deshalb auch bei geöffnetem Kraftstoffventil kein Kraftstoff in den Ansaugkanal angesaugt wird.
Um im Betrieb sicherzustellen, dass das Ventil schnell und sicher schließt, ist vorgesehen, dass das Kraftstoffventil im Betrieb mit einem Strompeak geschlossen wird und auf einem niedrigeren Stromniveau geschlossen gehalten wird. Dadurch kann ein sehr schnelles Schließen des Ventils erreicht werden. Durch das Absenken des Energieniveaus nach dem Schließen kann Energie gespart werden. Nach dem Schließen des Stoppschalters ist vorgesehen, dass das Schließen des Kraftstoffventils und/oder das Geschlossenhalten des Kraftstoffventils auf einem niedrigeren Stromniveau als im Betrieb erfolgt. Dadurch kann die zum Schließen und/oder Geschlossenhalten notwendige Energie verringert werden. Da nach dem Schließen des Stoppschalters der entstehende Unterdruck geringer ist als im Betrieb, beispielsweise bei Volllast, und geringe Mengen von angesaugtem Kraftstoff nach dem Schließen des Stoppschalters akzeptabel sind, kann dadurch ein ausreichend schnelles Schließen des Kraftstoffventils bei gleichzeitig deutlich geringerem Energieverbrauch erreicht werden. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass nach dem Schließen des Stoppschalters der Strompeak zum Schließen des Kraftstoffventils geringer ist als im Betrieb, der Strom zum Geschlossenhalten des Ventils jedoch dem im Betrieb entspricht.
Vorteilhaft wird das Kraftstoffventil im Betrieb und/oder nach dem Schließen des Stoppschalters über mehr als eine Umdrehung einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors auf dem niedrigeren Stromniveau geschlossen gehalten. Dadurch, dass das Kraftstoffventil über mehr als eine Umdrehung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors geschlossen gehalten wird, kann der Strompeak zum erneuten Schließen des Kraftstoffventils entfallen. Dadurch kann Energie im Betrieb und nach dem Schließen des Stoppschalters, also nach dem Ausschalten der Maschine, eingespart werden. Das Geschlossenhalten des Kraftstoffventils über mehr als eine Umdrehung einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors auf dem niedrigeren Stromniveau im Betrieb stellt einen eigenständigen erfinderischen Gedanken dar, der unabhängig vom Geschlossenhalten des Kraftstoffventils nach dem Schließen des Stoppschalters ist.
Vorteilhaft weist der Verbrennungsmotor einen Energiespeicher zur Zwischenspeicherung von Energie auf. Der Energiespeicher umfasst dabei insbesondere mindestens einen Kondensator. Die Kapazität des Kondensators ist dabei insbesondere auf die benötigte Energiemenge zum Geschlossenhalten des Kraftstoffventils nach dem Betätigen des Stoppschalters abgestimmt. Vorteilhaft wird in dem Energiespeicher während des Betriebs Energie gespeichert. Insbesondere wird in dem Energiespeicher zusätzlich oder alternativ nach dem Schließen des Stoppschalters Energie gespeichert. Die nach dem Ausschalten des Verbrennungsmotors erzeugte Energie kann beispielsweise aus der weiteren Drehung der Kurbelwelle gewonnen werden. Hierzu ist eine entsprechende Beschaltung der Ladespulen notwendig. Es ist möglich, dass sogar dann, wenn die Energie der Kurbelwelle nicht mehr zum Bewegen über den oberen Totpunkt des Kolbens ausreicht, die beim Zurückdrehen der Kurbelwelle in einer Spule induzierte Energie noch genutzt wird. Dabei wird gleichzeitig die Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle von der Steuerung erkannt.
Vorteilhaft wird nach dem Schließen des Stoppschalters die Ladespannung des Energiespeichers überwacht und das Ventil nicht mehr geschlossen, wenn die Ladespannung eine Mindestspannung unterschreitet. Dadurch kann eine unkontrollierte Ventilaktivität vermieden werden. Gleichzeitig wird eine vollständige Entleerung des Energiespeichers vermieden.
Vorteilhaft besitzt die Steuerung einen Mikrokontroller. Um einen möglichst geringen Energieverbrauch des Mikrokontrollers zu erreichen, ist vorgesehen, dass sich die Taktrate des Mikrokontrollers in Abhängigkeit des Betriebszustands verändert. Dabei wird die Taktrate vorteilhaft immer so gering wie möglich gewählt. Nach dem Schließen des Stoppschalters ist vorgesehen, dass der Mikrokontroller mit geringer Taktrate betrieben wird, so dass der Energieverbrauch weiter gesenkt werden kann.
Vorteilhaft treibt der Verbrennungsmotor eine Kurbelwelle rotierend an, und die Energie für die Zündung, die Steuerung und zum Schließen des Ventils wird durch die Drehbewegung der Kurbelwelle erzeugt. Insbesondere wird die Energie zum Laden des Energiespeichers in einer Ladespule induziert. Um bei unterschiedlichen Drehzahlen, insbesondere auch bei geringen Drehzahlen vergleichsweise viel Energie erzeugen zu können, ist vorgesehen, dass die Ladespule mehrere Teilabschnitte besitzt, an denen Teilspannungen abgegriffen werden können. Die in der Ladespule induzierte Energie ist drehzahlabhängig. In einem mittleren Drehzahlbereich herrscht ein Leistungsoptimum. Bei höheren oder niedrigeren Drehzahlen sinkt die Leistung stark ab. Durch geeignete Verschaltung der Teilladespulen kann auch bei geringen Drehzahlen vergleichsweise viel Energie erzeugt werden.
Insbesondere wird die Energie in einem Generator erzeugt. Um eine gute Verwendung der induzierten Energie zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Halbwellen der erzeugten Generatorspannung im Betrieb auf die Verbraucher verteilt werden. Die Verteilung erfolgt dabei vorteilhaft in Abhängigkeit der Drehzahl, der zuzuführenden Kraftstoffmenge und des Ladezustands des oder der Energiespeicher. Die Energieverteilung erfolgt vorteilhaft bedarfsbezogen. So kann bei unterschiedlichen Drehzahlen oder unterschiedlichen Betriebszuständen eine unterschiedliche Verteilung der Halbwellen vorgesehen sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors,
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Einrichtung zur Energieerzeugung des Verbrennungsmotors aus 1,
3a bis 3d schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen der Ladespule aus 2,
4 eine schematische Darstellung des Vergasers des Verbrennungsmotors aus 1,
5 eine Schnittdarstellung des Kraftstoffventils des Vergasers aus 4,
6 schematische Darstellungen des Verlaufs von Ventilstrom, Kurbelgehäusedruck und Spannung des Energiespeichers,
7 ein Diagramm des Spannungsverlaufs des Generators aus 1,
8 eine schematische Seitenansicht einer Motorsäge und
9 bis 11 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen des Verlaufs des Ventilstroms.
1 zeigt als Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor 1 einen gemischgeschmierten Zweitaktmotor, der mit Spülvorlage arbeitet. Der Verbrennungsmotor 1 kann als Antriebsmotor in einem handgeführten Arbeitsgerät wie einer Motorsäge, einem Trennschleifer, einem Freischneider, einem Rasenmäher oder dgl. eingesetzt werden. Bei dem Verbrennungsmotor 1 handelt es sich um einen schnelllaufenden Einzylindermotor. Der Verbrennungsmotor 1 besitzt einen Zylinder 2, in dem ein Brennraum 3 ausgebildet ist. Der Brennraum 3 ist von einem im Zylinder 2 hin- und hergehend gelagerten Kolben 5 begrenzt, der über ein Pleuel 6 eine in einem Kurbelgehäuse 4 drehbar gelagerte Kurbelwelle 7 rotierend antreibt. Über einen Ansaugkanal 16 wird dem Kurbelgehäuse 4 Kraftstoff/Luft-Gemisch zugeführt. Der Ansaugkanal 16 mündet hierzu mit einem Einlass 8 ins Kurbelgehäuse 4, der vom Kolben 5 schlitzgesteuert ist. Zur Spülvorlage ist ein Luftkanal 14 vorgesehen, der im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens 5 über eine Kolbentasche 22 mit Überströmfenstern 11, 13 der Überströmkanäle 10, 12 verbunden ist. Hierzu mündet der Luftkanal 14 mit einer Luftkanalöffnung 15 an der Zylinderbohrung. Die Überströmkanäle 10, 12 verbinden im Bereich des unteren Totpunkts des Kolbens 5 das Kurbelgehäuse 4 mit dem Brennraum 3. Aus dem Brennraum 3 führt ein Auslass 9 für Abgase.
Der Luftkanal 14 und der Ansaugkanal 16 sind mit einem Luftfilter 18 verbunden. Ein Abschnitt des Ansaugkanals 16 ist in einem Vergaser 17 ausgebildet, in dem der angesaugten Verbrennungsluft Kraftstoff zugeführt wird. Im Vergaser 17 sind eine Chokeklappe 25 und stromab der Chokeklappe 25 eine Drosselklappe 24 schwenkbar gelagert. Stromauf der Drosselklappe 24 mündet eine Hauptkraftstofföffnung 27 in den Ansaugkanal 16. Im Bereich der Drosselklappe 24 münden Nebenkraftstofföffnungen 26 in den Ansaugkanal 16. Die den Kraftstofföffnungen 26, 27 zugeführte Kraftstoffmenge ist von einem Kraftstoffventil 23 gesteuert. Das Kraftstoffventil 23 ist als elektromagnetisches Ventilausgebildet und mit einer Steuerung 20 verbunden, die das Kraftstoffventil 23 mit Energie versorgt. Zur Steuerung der zugeführten Kraftstoffmenge wird das Kraftstoffventil 23 getaktet angesteuert. Zur Steuerung der zugeführten Luftmenge ist im Luftkanal 14 eine Luftklappe 28 schwenkbar gelagert.
An der Kurbelwelle 7 ist ein Generator 19 angeordnet, der zur Energieversorgung dient. Der Generator 19 führt die in dem Generator 19 aufgrund der Drehbewegung der Kurbelwelle 7 induzierte Energie einer Steuerung 20 zu. Die Steuerung 20 umfasst einen Energiespeicher 75, der beispielsweise einen oder mehrere Kondensatoren umfassen kann. Außerdem umfasst die Steuerung 20 einen Mikrokontroller 84. Die Steuerung 20 ist mit einem Stoppschalter 74 verbunden. Außerdem ist die Steuerung 20 mit einer Zündkerze 21 verbunden, die in den Brennraum 3 ragt und zur Zündung des Gemischs im Brennraum 3 dient.
Im Betrieb wird beim Aufwärtshub des Kolbens 5 ins Kurbelgehäuse 4 Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Ansaugkanal 16 angesaugt. Im Bereich des oberen Totpunkts wird gleichzeitig über den Luftkanal 14 und die Kolbentasche 22 weitgehend kraftstofffreie Verbrennungsluft in den Überströmkanälen 10 und 12 vorgelagert. Beim Abwärtshub des Kolbens 5 strömt zunächst die vorgelagerte Spülvorlagenluft aus den Überströmkanälen 10, 12 in den Brennraum 3 ein und spült die Abgase aus dem Brennraum 3 durch den Auslass 9 aus. Anschließend strömt frisches Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Kurbelgehäuse 4 über die Überströmkanäle 10, 12 in den Brennraum 3 nach. Beim Aufwärtshub des Kolbens 5 wird das Gemisch im Brennraum 3 verdichtet und im Bereich des oberen Totpunkts von der Zündkerze 21 gezündet. Beim Abwärtshub des Kolbens 5 verlassen die Abgase den Brennraum 3, sobald der Auslass 9 vom abwärtsfahrenden Kolben geöffnet wird. Sobald die Überströmfenster 11, 13 öffnen, strömt frische Spülvorlagenluft und frisches Gemisch in den Brennraum 3 nach.
Die im Generator 19 induzierte Energie dient zur Energieversorgung der Steuerung 20 mit dem Mikrokontroller 84, zur Energieversorgung des Kraftstoffventils 23 und zur Bereitstellung der Zündenergie für die Zündkerze 21. Wie 1 zeigt, ist der Stoppschalter 74 separat mit der Steuerung 20 verbunden und nicht in der Verbindungsleitung zwischen Steuerung 20 und Kraftstoffventil 23 angeordnet. Dadurch kann das Kraftstoffventil 23 unabhängig von der Betätigung des Stoppschalters 74 angesteuert werden.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Energie nicht in einem Generator 19, sondern in einer Zündspule 76 und einer Ladespule 77 induziert wird. Die Spulen 76, 77 sind am Umfang eines Schwungrads 79 angeordnet, das drehfest mit der Kurbelwelle 7 verbunden ist und das im Ausführungsbeispiel zwei Magnetgruppen 78 zur Induzierung der Spannung in den Spulen 76, 77 trägt. Es können eine oder mehrere Magnetgruppen 78 vorgesehen sein. Über die Zündspule 76 wird die Zündkerze 21 mit Energie versorgt. Die Zündspule 76 ist außerdem mit dem Stoppschalter 74 verbunden über den die Zündspule 76 geerdet und so die Ausbildung von Zündfunken an der Zündkerze 21 unterbunden werden können. Die Ladespule 77 ist mit der Steuerung 20 verbunden, die den Energiespeicher 75 und den Mikrokontroller 84 umfasst. Über die Steuerung 20 wird das Kraftstoffventil 23 angesteuert. Auch der Zeitpunkt, zu dem der Zündfunken generiert wird, kann von der Steuerung 20 gesteuert werden. Die Steuerung 20 ist außerdem so mit dem Stoppschalter 74 verbunden, dass ein Schließen des Stoppschalters 74 von der Steuerung 20 erkannt wird und das Kraftstoffventil 23 entsprechend angesteuert werden kann.
Die in den Spulen 76, 77 induzierte Energie ist stark abhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle 7. Um auch bei niedrigen Drehzahlen eine ausreichende Energiemenge zur Verfügung zu haben, ist vorgesehen, dass die Ladespule 77 mehrere Anschlüsse 80, 81, 82, 83, 90 besitzt, die an unterschiedlichen Bereichen der Ladespule 77 angreifen und so das Abgreifen von Teilspannungen ermöglichen. Die Anzahl der Anschlüsse 80, 81, 82, 83, 90 der Ladespule 77 ist variabel, und es können in der Ladespule 77 einer oder mehrere Teilbereiche enthalten sein. Dies ist beispielhaft in den 3a bis 3d gezeigt. Die Teilbereiche der Ladespule 77 sind geeignet verschaltet, um eine Anpassung der wirksamen Spulenlänge auf unterschiedliche Drehzahlen zu erreichen. Dadurch ist es möglich, in allen Drehzahlbereichen Energie mit geeignetem Spannungsniveau zum Laden des Energiespeichers 75 zur Verfügung zu stellen. Eine entsprechende Schaltungsanordnung kann auch bei dem Generator 19 vorgesehen sein.
4 zeigt den Vergaser 17 schematisch im Einzelnen. Der Vergaser 17 besitzt ein Vergasergehäuse 29, in dem ein Abschnitt des Ansaugkanals 16 ausgebildet ist. Im Ansaugkanal 16 strömt Verbrennungsluft in Strömungsrichtung 31. Wie 4 zeigt, ist in Strömungsrichtung zwischen der Chokeklappe 25 und der Drosselklappe 24 ein Venturi 30 ausgebildet, in dessen Bereich die Hauptkraftstofföffnung 27 mündet. Im Bereich der Drosselklappe 24 münden die Nebenkraftstofföffnungen 26 in den Ansaugkanal 16, die als Leerlaufkraftstofföffnungen ausgebildet sind. Zusätzlich ist eine Teillastkraftstofföffnung 58 vorgesehen.
Der Vergaser 17 besitzt eine Regelkammer 32, die von einer Regelmembran 33 begrenzt ist. Die Regelmembran 33 kann von Umgebungsluft oder von der Luft auf der Reinseite des Luftfilters 18 beaufschlagt sein. Am Einlass in die Regelkammer 32 ist ein Einlassventil 34 angeordnet, dessen Stellung an die Stellung der Regelmembran 33 gekoppelt ist. Dem Einlassventil 34 wird Kraftstoff über eine Kraftstoffpumpe 35 zugeführt. Aus der Regelkammer 32 führt ein Hauptkraftstoffpfad 40, in dem das Kraftstoffventil 23 angeordnet ist. Es kann ein Bypasskanal 59 mit einer Drossel 60 vorgesehen sein, der in 4 gestrichelt gezeigt ist und der das Kraftstoffventil 23 umgeht. Im Hauptkraftstoffpfad 40 ist ein Ringspalt 36 ausgebildet, an dem ein Purger 37 mündet. Im Hauptkraftstoffpfad 40 sind eine Drossel 38 und ein Rückschlagventil 39 angeordnet.
Vom Ringspalt 36 zweigt ein Nebenkraftstoffpfad 42 ab. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Nebenkraftstoffpfad 42' direkt mit der Regelkammer 32 verbunden ist, so dass der Nebenkraftstoffpfad 42 nicht vom Kraftstoffventil 23 gesteuert ist. Damit ist keine vollständige Abschaltung der Kraftstoffzufuhr nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors 1 möglich. Die über den Nebenkraftstoffpfad 42' zugeführte Kraftstoffmenge ist jedoch vergleichsweise gering.
Der Nebenkraftstoffpfad 42 teilt sich in einen Leerlaufkraftstoffpfad 43 und einen Teillastkraftstoffpfad 55. Der Leerlaufkraftstoffpfad 43 mündet über eine Drossel 44 in eine Leerlaufkraftstoffkammer 45, aus der Kraftstoffpfade 46, 49 und 52 abzweigen, in denen jeweils eine Drossel 48, 51, 54 angeordnet ist. Die Leerlaufkraftstoffpfade 46, 49, 52 münden über Nebenkraftstofföffnungen 26 in den Ansaugkanal 16. Der Teillastkraftstoffpfad 55, der eine Drossel 56 und ein Rückschlagventil 57 besitzt, mündet über die Teillastkraftstofföffnung 58 in den Ansaugkanal 16.
Das Kraftstoffventil 23 ist in stromlosem Zustand geöffnet. Das Kraftstoffventil 23 ist in 5 gezeigt. Es besitzt ein Gehäuse 61, in dem eine Spule 62 angeordnet ist. Die Spule 62 ist von einem topfförmigen Eisenkern 63 umgeben. An der Stirnseite der Spule 62 ist eine Ankerplatte 64 angeordnet. Die Spule 62 und der Eisenkern 63 sind im Material des Gehäuses 61 vorteilhaft vergossen. Die Ankerplatte 64 ist an einer Feder 68 gehalten, die die Ankerplatte 64 von der Spule wegzieht. Zur Definition der vollständig geöffneten Stellung des Kraftstoffventils 23, die in 5 gezeigt ist, ist ein Anschlag 71 für die Feder 68 vorgesehen.
Das Kraftstoffventil 23 besitzt mindestens einen Kraftstoffeinlass 66, der an der der Spule 62 zugewandten Seite der Ankerplatte 64 mündet. Der Kraftstoffeinlass 66 ist bei Stromfluss in der Spule 62 von der Ankerplatte 64 verschlossen, die bei Stromfluss gegen die Stirnseite 65 des Eisenkerns 63 gezogen wird. In geöffnetem Zustand des Kraftstoffventils 23, also wenn in der Spule 62 kein oder zu wenig Strom fließt, um die Ankerplatte 64 an die Stirnseite 65 zu ziehen, ist zwischen dem Rand 72 der Ankerplatte 64 und dem Gehäuse 61 ein Spalt 73 gebildet, über den der Kraftstoffeinlass 66 mit in einem Deckel 70 ausgebildeten Kraftstoffauslässen 67 verbunden ist. Die Feder 68 besitzt hierzu Durchtrittsöffnungen 69. Damit kann durch das Kraftstoffventil 23 Kraftstoff vom Kraftstoffeinlass 66 zum Kraftstoffauslass 67 strömen, wenn kein Strom in der Spule 62 fließt. Anstatt oder zusätzlich zum Spalt 73 können auch Öffnungen in der Ankerplatte 64 zum Durchtritt von Kraftstoff vorgesehen sein.
Das Kraftstoffventil 23 wird vorteilhaft von der Steuerung 20 getaktet angesteuert, um eine gewünschte Kraftstoffmenge zuzuführen. Dabei ist vorgesehen, dass das Kraftstoffventil 23 nur dann bestromt wird, wenn im Ansaugkanal 16 Unterdruck herrscht, der Ansaugkanal 16 also zum Kurbelgehäuse hin offen ist. Dies ist in 6 schematisch gezeigt. Es können jedoch auch andere vorbestimmte Zeiträume vorgesehen sein, zu denen das Kraftstoffventil 23 geschlossen gehalten wird. Das erste Diagramm in 6 zeigt den Fluss des Stroms I im elektromagnetischen Kraftstoffventil 23. Das zweite Diagramm zeigt den Verlauf des Drucks p im Ansaugkanal 16, und das dritte Diagramm zeigt die Spannung U im Energiespeicher 75. Im Bereich des unteren Totpunkts ist der Ansaugkanal 16 zum Kurbelgehäuse 4 geschlossen. Es herrscht kein Unterdruck. Beim Aufwärtshub des Kolbens baut sich ein Unterdruck auf. Dies ist im zweiten Diagramm durch die abfallende Druckkurve verdeutlicht. Im Ausführungsbeispiel nach 6 soll zunächst Kraftstoff zugeführt werden, und zwar über den Zeitraum t₁. Während dieser Zeit ist das Kraftstoffventil 23 nicht bestromt, so dass Kraftstoff aufgrund des im Ansaugkanal 16 herrschenden Unterdrucks durch das Kraftstoffventil 23 in den Ansaugkanal 16 angesaugt werden kann. Um die angesaugte Kraftstoffmenge zu steuern, kann auch ein getaktetes Schließen des Kraftstoffventils 23 während des Zeitraums t₁ vorgesehen sein.
Anschließend wird das Kraftstoffventil 23 über einen Zeitraum t₂ geschlossen, während dem kein Kraftstoff zugeführt wird, aber Unterdruck im Ansaugkanal 16 herrscht. Wie 6 zeigt, wird das Kraftstoffventil 23 zunächst mit einem Strompeak I_p bestromt, und zwar mit einem Strom I₁. Anschließend wird das Stromniveau auf ein Stromniveau I₂ abgesenkt, das deutlich niedriger ist und beispielsweise einen Bruchteil des Stroms I₂ betragen kann. Durch den Strompeak I_p wird ein sicheres Schließen des Kraftstoffventils 23 erreicht. Der Strom I₂ ist ausreichend, um das Kraftstoffventil 23 geschlossen zu halten. Dann steigt der Druck im Ansaugkanal 16 an, so dass im Ansaugkanal 16 kein Unterdruck mehr herrscht und das Kraftstoffventil 23 nicht weiter aktiv geschlossen werden muss. Das Kraftstoffventil 23 wird nicht mehr weiter bestromt. Der Energiespeicher 75 ist vollständig mit einer Ladespannung U_lade geladen, da der Verbrennungsmotor 1 läuft und genügend Energie zur Verfügung steht.
Zum Zeitpunkt S wird im Ausführungsbeispiel der Stoppschalter 74 geschlossen. Danach soll kein weiterer Kraftstoff oder nur noch geringe Mengen von Kraftstoff, beispielsweise über den Nebenkraftstoffpfad 42', zugeführt werden. Es ist deshalb vorgesehen, dass die Steuerung 20 das Kraftstoffventil 23 aktiv weiter bestromt und geschlossen hält. Hierzu wird während dem Zeitraum t₃, während dem Unterdruck im Ansaugkanal 16 aufgrund der weiteren Drehung der Kurbelwelle 7 herrscht, das Kraftstoffventil 23 geschlossen gehalten. Hierzu wird das Kraftstoffventil 23 über ein Strompeak I_p' mit einem Strom I₃ bestromt, der kleiner als der Strom I₁ des Strompeaks I_p, aber größer als der Strom I₂ ist. Um das Kraftstoffventil 23 geschlossen zu halten, sinkt der Strom auf ein Stromniveau I₄, das dem Stromniveau I₂ entsprechen kann oder niedriger als das Stromniveau I₂ sein kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Strompeak I_p' dem Strompeak I_p entspricht. Aufgrund der Bestromung des Kraftstoffventils 23 sinkt die Ladespannung U_lade des Energiespeichers 75.
Das Absinken der Ladespannung U_lade kann verringert werden, wenn die durch die weitere Drehbewegung der Kurbelwelle 7 erzeugte Energie genutzt wird, um den Energiespeicher 75 weiter zu laden. Gleichzeitig kann die Taktrate des Mikrokontrollers 84 auf ein möglichst niedriges Niveau gesenkt werden, um den Energieverbrauch des Mikrokontrollers 84 zu senken. Entsprechend wird bei den folgenden Kurbelwellenumdrehungen das Kraftstoffventil 23 über den Zeitraum t₃ mit dem Strom I₄ bestromt. Während die Kurbelwelle 7 ausläuft, wird die Ladespannung U_lade des Energiespeichers 75 laufend überwacht. Sobald die Ladespannung U_lade unter eine Mindestspannung U_min sinkt, erfolgt kein weiteres Schließen des Kraftstoffventils 23. Die Mindestspannung U_min kann dabei die Spannung sein, die ausreicht, um das Kraftstoffventil 23 geschlossen zu halten. Es erfolgt demnach keine weitere Bestromung des Kraftstoffventils 23 mehr, wenn die Ladespannung U_lade unter eine entsprechende Mindestspannung U_min sinkt. Dabei kann eine Mindestspannung U_min2 herangezogen werden, die benötigt wird, um das Kraftstoffventil 23 mit dem Strom I₂ zu bestromen. Es kann jedoch alternativ eine Mindestspannung U_min4 herangezogen werden, die für die Bestromung des Kraftstoffventils 23 mit dem Strom I₄ benötigt wird.
Es ist insbesondere zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass ein Schließen des Kraftstoffventils 23 nur dann erfolgt, wenn die Energie im Energiespeicher 75 ausreicht, um ein sicheres Schalten des Kraftstoffventils 23 zu erreichen. Ist die Energie nicht mehr ausreichend, die Ladespannung U_lade also unter eine entsprechende Mindestspannung U_min1 oder U_min3 gesunken, erfolgt keine weitere Bestromung des Kraftstoffventils 23. Die Mindestspannung U_min1 wird dabei für das Stromniveau I₁ für den Strompeak I_p benötigt und die Mindestspannung U_min3 für das Stromniveau I₃ und den Strompeak I_p'.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Energiespeicher 75 nur geladen wird, wenn der Stoppschalter 74 bestätigt, der Verbrennungsmotor 1 also ausgeschaltet ist und die gesamte dann erzeugte Energie zum Betrieb des Mikrokontrollers 84 und zum Schließen des Kraftstoffventils 23 genutzt wird.
Um möglichst geringe Energieverluste zu erreichen, ist vorgesehen, dass die elektrischen Anschlüsse so ausgelegt werden, dass möglichst geringe Kriechströme entstehen. Außerdem ist vorgesehen, dass elektrische Anschlüsse wie Stecker oder dgl. gegen Schmutz und Feuchtigkeit aus der Umgebung geschützt sind, so dass hieraus entstehende Energieverluste gering sind.
Im Betrieb ist vorgesehen, dass bei der Energieerzeugung in einem Generator 19 die induzierten Halbwellen – im Ausführungsbeispiel sind sechs Halbwellen vorgesehen – auf die einzelnen Verbraucher wie Zündenergiespeicher und Energiespeicher für das Kraftstoffventil 23 verteilt werden. Hier kann beispielsweise, wie in 7 schematisch gezeigt, vorgesehen sein, dass die in einem ersten Abschnitt a erzeugte Energie, der die ersten beiden Halbwellen umfasst, für das Kraftstoffventil 23 genutzt wird, die in einem zweiten Abschnitt b erzeugte Energie dem Zündenergiespeicher zugeführt wird, und dass die in einem dritten Abschnitt c erzeugte Energie der Steuerung 20 zur Energieversorgung dient. Die Lage und Größe der drei Abschnitte a, b, c kann dabei bedarfsbezogen geändert werden, beispielsweise in Abhängigkeit der Drehzahl, der zugeführten Kraftstoffmenge, die über das Tastverhältnis bestimmt wird, und über den Ladezustand der Energiespeicher. Das Tastverhältnis bezeichnet dabei das Verhältnis der Zeit, über die das Ventil geschlossen gehalten wird, zur gesamten Zeitdauer. Über das Tastverhältnis ist die über das getaktete Kraftstoffventil 23 zugeführte Kraftstoffmenge einstellbar.
Vorteilhaft wird die benötigte Energie dann erzeugt, wenn die Umfangsgeschwindigkeit der Kurbelwelle 7 besonders hoch ist, also im Abwärtshub des Kolbens 5 nach dem oberen Totpunkt.
Zur Stromregelung ist ein Zweipunktregler oder ein PI-Regler vorgesehen, der mit hoher Frequenz arbeitet.
Der gezeigte Verbrennungsmotor 1 kann in einem handgeführten Arbeitsgerät eingesetzt werden. Als Ausführungsbeispiel hierfür ist in 8 eine Motorsäge 85 gezeigt. Die Motorsäge 85 besitzt ein Gehäuse 86, in dem der Verbrennungsmotor 1 angeordnet ist. Die Motorsäge 85 besitzt einen hinteren Handgriff 87. An der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 86 ragt eine Führungsschiene 88 nach vorne, an der umlaufend eine Sägekette 89 angeordnet ist. Die Sägekette 89 wird vom Verbrennungsmotor 1 angetrieben. Benachbart zum hinteren Handgriff 87 ist der Stoppschalter 74 angeordnet.
In den 9 bis 11 sind Ausführungsbeispiele der Bestromung des Kraftstoffventils 23 vor und nach dem Schließen S des Stoppschalters 74 gezeigt. Im Ausführungsbeispiel nach 9 wird das Kraftstoffventil im Betrieb über einen Strompeak I_p auf einem Stromniveau I₁ zum Schließen bestromt und auf einem Stromniveau I₂ geschlossen gehalten. Nach dem Schließen S des Stoppschalters 74 erfolgt das Schließen des Kraftstoff-. ventils 23 über einen Strompeak I_p' mit einem Stromniveau I₃, das niedriger als das Stromniveau I₁ ist. Das Kraftstoffventil 23 wird anschließend auf einem Stromniveau I₄ geschlossen gehalten, das kleiner als das Stromniveau I₂ ist. Das Stromniveau I₄ kann dem Stromniveau I₂ auch entsprechen. Wie 9 zeigt, wird das Kraftstoffventil 23 jeweils nur über einen Teilbereich einer Umdrehung der Kurbelwelle 7 geschlossen gehalten, und zwar insbesondere dann, wenn Unterdruck im Ansaugkanal 16 herrscht.
Beim Ausführungsbeispiel nach 10 entspricht die Bestromung des Kraftstoffventils 23 im Betrieb der zur 9 beschriebenen Bestromung. Nach dem Schließen S des Stoppschalters 74 wird das Kraftstoffventil 23 permanent geschlossen gehalten. Dabei wird lediglich die Dauer der Bestromung auf dem Stromniveau I₄ bis zum nächsten Strompeak I_p' verlängert, so dass das Kraftstoffventil 23 bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 7 mit einem Strompeak I_p bestromt wird.
11 zeigt eine Bestromung des Kraftstoffventils 23, die einen eigenständigen erfinderischen Gedanken darstellt. Im Betrieb wird das Kraftstoffventil 23 im Ausführungsbeispiel über annähernd zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 7 geschlossen gehalten. Hierzu wird das Kraftstoffventil 23 mit einem Strompeak I_p auf dem Stromniveau I₁ bestromt und anschließend über mehr als eine Umdrehung der Kurbelwelle 7 auf dem Stromniveau I₂ geschlossen gehalten. Eine weitere Bestromung mit einem weiteren Strompeak I_p erfolgt nicht, da das Kraftstoffventil 23 bereits geschlossen ist. Dadurch lässt sich Energie einsparen. Das Geschlossenhalten des Kraftstoffventils kann dabei über deutlich mehr als zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 7 erfolgen.
Nach dem Schließen S des Stoppschalters 74 erfolgt zunächst eine Bestromung des Kraftstoffventils 23 mit einem Strompeak I_p'. auf einem Stromniveau I₃. Anschließend sinkt das Stromniveau auf ein Stromniveau I₄. Auch hier wird das Kraftstoffventil 23 über mehr als eine Umdrehung der Kurbelwelle 7 geschlossen gehalten. Vorteilhaft wird das Kraftstoffventil 23 geschlossen gehalten, bis eine Mindestspannung U_min unterschritten ist, ohne dass eine weitere Bestromung mit einem Strompeak I_p' erfolgt.
Wird der Stoppschalter 74 geschlossen, während das Kraftstoffventil 23 auf dem Stromniveau I₂ geschlossen gehalten wird, so kann das Kraftstoffventil 23 auch durchgängig geschlossen gehalten werden, so dass nach dem Schließen S des Stoppschalters 74 auch die Bestromung mit dem Strompeak I_p' entfallen kann. Dies ist durch die strichpunktierte Linie in 11 schematisch angedeutet. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass das Stromniveau von dem Stromniveau I₂ auf das Stromniveau I₄ absinkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10242816 A1 [0002]
DE 10335345 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor (1) einen Vergaser (17) zur Zufuhr von Kraftstoff/Luft-Gemisch besitzt, in dem ein Ansaugkanal (16) ausgebildet ist, wobei in den Ansaugkanal (16) Kraftstoff aufgrund des sich im Betrieb ausbildenden Unterdrucks angesaugt wird, und wobei die in den Ansaugkanal (16) angesaugte Kraftstoffmenge mindestens teilweise von einem elektromagnetischen Kraftstoffventil (23) gesteuert ist, das in stromlosem Zustand geöffnet ist, mit einer Einrichtung zur Zündung von Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum (3) des Verbrennungsmotors (1), mit einem Stoppschalter (74) zum Ausschalten der Zündung, mit einer Steuerung (20) und mit einer Einrichtung zur Energieversorgung, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffventil (23) von der Steuerung (20) nach dem Betätigen des Stoppschalters (74) geschlossen gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffventil (23) nach dem Schließen des Stoppschalters (74) nur über bestimmte Zeiträume geschlossen gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffventil (23) nur dann geschlossen gehalten wird, wenn Unterdruck im Ansaugkanal (16) herrscht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffventil (23) im Betrieb mit einem Strompeak (I_p, I_p') geschlossen wird und auf einem niedrigeren Stromniveau (I₂, I₄) geschlossen gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schließen des Stoppschalters (74) das Schließen des Kraftstoffventils (23) und/oder das Geschlossenhalten des Kraftstoffventils (23) auf einem niedrigeren Stromniveau (I₃, I₄) erfolgt als im Betrieb.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffventil (23) über mehr als eine Umdrehung einer Kurbelwelle (7) des Verbrennungsmotors (1) auf dem niedrigeren Stromniveau (I₂, I₄) geschlossen gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) einen Energiespeicher (75) zur Zwischenspeicherung von Energie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Energiespeicher (75) während des Betriebs Energie gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Energiespeicher (75) nach dem Schließen des Stoppschalters (74) Energie gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schließen des Stoppschalters (74) die Ladespannung (U_lade) des Energiespeichers (75) überwacht wird und das Kraftstoffventil (23) nicht mehr geschlossen wird, wenn die Ladespannung (U_lade) eine Mindestspannung (U_min, U_min1, U_min2, U_min3, U_min4) unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (20) einen Mikrokontroller (84) besitzt, und dass die Taktrate des Mikrokontrollers (84) sich in Abhängigkeit des Betriebszustands verändert, wobei der Mikrokontroller (84) nach dem Schließen des Stoppschalters (74) mit geringer Taktrate betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) eine Kurbelwelle (7) rotierend antreibt, und dass die Energie für die Zündung, die Steuerung (20) und zum Schließen des Kraftstoffventils (23) durch die Drehbewegung der Kurbelwelle (7) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zum Laden des Energiespeichers (75) in einer Ladespule (77) induziert wird und die Ladespule (77) mehrere Teilabschnitte besitzt, an denen Teilspannungen abgegriffen werden können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie in einem Generator (19) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbwellen der erzeugten Generatorspannung im Betrieb auf die Verbraucher verteilt werden.