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Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor, insbesondere als Antriebsmotor in einem handgeführten Arbeitsgerät wie einer Motorkettensäge, einem Freischneidegerät, einem Trennschleifer oder dgl. nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
US 4 253 433 A ist ein Verbrennungsmotor bekannt, bei dem ein Gemischpfad des Vergasers in einen Speicherkanal mündet, der mit einem Ende etwa dem Auslaß gegenüberliegend an den Brennraum angeschlossen und an seinem anderen Ende zum Kurbelgehäuse offen ist. Das Kurbelgehäuse hat einen membrangesteuerten Einlaß, über den neben Verbrennungsluft auch ein Anteil des zum Betrieb des Verbrennungsmotors notwendigen Kraftstoffs zuzuführen ist. Bei derartigen Anordnungen ist darauf zu achten, daß die Kraftstoffverteilung auf den Kurbelgehäuseeinlaß und auf den Speicherkanal jeweils den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors angepaßt wird. Dies ist technisch aufwendig und erfordert Drosselorgane in den jeweiligen Kanälen, wobei die Drosselorgane untereinander stellungsabhängig zu koppeln sind. In der Praxis hat sich gezeigt, daß derartige Verbrennungsmotoren nicht über den gesamten Betriebsbereich optimal arbeiten. Insbesondere beim Beschleunigen aus dem Leerlauf heraus kann es durch die variablen Anteile der zugeführten Luft- und Kraftstoffmengen zu Störungen kommen.
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Aus der
DE 26 50 834 A1 ist ein Zweitaktmotor bekannt, der einen Überströmkanal besitzt, der als Speicherraum dient und in den ein Zuführkanal für fettes Kraftstoffgemisch mündet. Der Zweitaktmotor besitzt außerdem einen vom Kolben schlitzgesteuerten Einlasskanal ins Kurbelgehäuse. Im Betrieb strömt über den Speicherraum fettes Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Brennraum ein und über weitere Überströmkanäle mageres Gemisch oder Luft aus dem Kurbelgehäuse. Dadurch soll ein gleichmäßiger Rundlauf des Motors im Leerlauf- und Teillastbetrieb erreicht werden.
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Die
DE 600 15 299 T2 zeigt einen Zweitaktmotor, in dessen Überströmkanälen Luft aus einem Luftkanal über im Kolben ausgebildete Taschen zugeführt wird. Ins Kurbelgehäuse mündet ein schlitzgesteuerter Gemischeinlaß. Luftkanal und Gemischkanal sind von Drosselklappen gesteuert, die im Leerlauf weitgehend geschlossen und bei Vollast vollständig geöffnet sind.
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Auch die
US 6 216 650 B1 , die
JP 9 125 966 A und die
JP 2000 274 250 A zeigen mit Spülvorlage arbeitende Zweitaktmotoren, bei denen über einen Luftkanal Luft in Überströmkanäle und über einen Gemischkanal Kraftstoff/Luft-Gemisch ins Kurbelgehäuse zugeführt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweitaktmotor der gattungsgemäßen Art derart auszubilden, daß über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors eine gute Leistungsentfaltung und ein gutes Beschleunigungsverhalten bei guten Abgaswerten erzielt ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Konstruktiv ist vorgesehen, den Strömungsdurchmesser des zum Speicherkanal führenden Gemischkanals um mehr als die Hälfte kleiner auszuführen als den Strömungsdurchmesser des zum Kurbelgehäuseeinlaß führenden Ansaugkanals. Dadurch wird erreicht, daß im Gemischkanal eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit gegeben ist, die grundsätzlich die Möglichkeit eröffnet, die notwendige Kraftstoffmenge anzusaugen. Dadurch kann im Leerlauf des Verbrennungsmotors der zum Kurbelgehäuseeinlaß führende Kraftstoffpfad im wesentlichen vollständig gesperrt werden, so daß der zum Betrieb notwendige Kraftstoff im wesentlichen ausschließlich über den zum Speicherkanal führenden Gemischkanal zugeführt ist. Es ist damit gewährleistet, daß im Leerlaufbetrieb dem Brennraum ein ausreichend fettes Gemisch zugeführt wird, welches auch bei Luftzufuhr über den Kurbelgehäuseeinlaß zu keiner signifikanten Abmagerung im Brennraum führen kann. Vielmehr ist im Brennraum ein homogenes, zündwilliges Gemisch bereitgestellt, welches einen runden Leerlauf ohne Störungen gewährleistet. Die sich im Verbrennungsmotor einstellende Gemischverteilung im Leerlauf begünstigt auch ein kraftvolles Beschleunigen.
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Vorteilhaft wird nicht nur der zum Betrieb notwendige Kraftstoff, sondern auch die zum Betrieb notwendige Verbrennungsluft zumindest im Leerlauf des Verbrennungsmotors ausschließlich über den zum Speicherkanal führenden Gemischkanal zugeführt.
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In der Praxis hat sich als zweckmäßig erwiesen, im Teillastbetrieb und/oder im Vollastbetrieb die dem Verbrennungsmotor zugeführte Kraftstoffmenge in einem untergeordneten Anteil von etwa 0% bis 35% über den Ansaugkanal dem Kurbelgehäuseeinlaß zuzuführen. Dieser Anteil dient im wesentlichen der Schmierung der bewegten Teile und hat auf die Gemischzusammensetzung im Brennraum nur einen geringen Einfluß.
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Wesentlich für die konstruktive Ausbildung der Gemischbildungseinrichtungen zum Speicherkanal und zum Kurbelgehäuseeinlaß ist das Verhältnis V der Strömungsquerschnitte zueinander. Dieses soll in einem Bereich von bis 1/12 liegen, wobei der Strömungsdurchmesser des zum Speicherkanal führenden Gemischkanals zu dem Strömungsdurchmesser des zum Gehäuseeinlaß führenden Einlaßkanals ins Verhältnis gesetzt ist.
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Der Gemischkanal und der Ansaugkanal liegen bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse und bilden einen zweiflutigen Vergaser, der in einfacher Weise an den Zylinderstutzen des Verbrennungsmotors anzuschließen, ist.
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Die Kraftstoffzufuhr zum Gemischkanal wie zum Ansaugkanal kann in vielfältiger Weise erfolgen. Zweckmäßig ist der Strömungsquerschnitt des Gemischkanals mit einer Gemischkanaldrossel veränderbar, wobei dann der Kraftstoffpfad in den Gemischkanal ungeregelt ist, d. h. die Kraftstoffzufuhr ausschließlich vom Unterdruck im Gemischkanal bestimmt ist. In gleicher Weise kann der Strömungsdurchmesser des Ansaugkanals mit einer Ansaugkanaldrossel veränderbar sein, so daß auch hier der Kraftstoffpfad in den Ansaugkanal mittels Unterdruck gesteuert ist.
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Um in den unterschiedlichen Lastbereichen eine angepaßte Zufuhr eines Kraftstoff/Luft-Gemisches über den Gemischkanal und Kraftstoff und/oder Verbrennungsluft über den Ansaugkanal zu erzielen, ist die im Gemischkanal angeordnete Drossel zweckmäßig mit der im Ansaugkanal angeordneten Drossel stellungsabhängig gekoppelt. Die Kopplung ist so vorgesehen, daß im Leerlauf der Gemischkanal offen und der Ansaugkanal geschlossen ist, während unter Vollast der Gemischkanal zu und der Ansaugkanal offen ist.
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Es kann auch zweckmäßig sein, den Strömungsdurchmesser des Gemischkanals und/oder den des Ansaugkanals unveränderbar fest auszubilden. Dann ist es zweckmäßig, den Kraftstoffpfad zum Gemischkanal bzw. zum Ansaugkanal regelbar auszubilden, insbesondere mechanisch zu regeln. Hierzu kann z. B. ein Nadelventil im Kraftstoffpfad angeordnet werden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der nachfolgend im einzelnen beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 bis 6 in schematischer Darstellung die Betriebsweise eines Zweitaktmotors über einen Arbeitszyklus,
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7 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen zweiflutigen Vergaser zum Betrieb des Verbrennungsmotors nach den 1 bis 6,
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8 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen zweiflutigen Vergaser nach 7 mit im Strömungsquerschnitt unveränderbaren Gemischkanal und Ansaugkanal,
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9 in schematischer Darstellung einen zweiflutigen Vergaser entsprechend einer Ansicht in 7 mit geregelter Kraftstoffzuführung im Gemischkanal und einem drosselbaren Ansaugkanal,
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10 eine Ansicht durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines zweiflutigen Vergasers mit einem im Querschnitt unveränderbaren Gemischkanal und drosselbaren Ansaugkanal.
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Der in den 1 bis 6 schematisch gezeigte Zweitaktmotor wird insbesondere als Antriebsmotor in tragbaren, handgeführten Arbeitsgeräten eingesetzt, so z. B. in Motorkettensägen, Freischneidegeräten, Blasgeräten, Trennschleifern der dgl..
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Der Zweitaktmotor 1 besteht im wesentlichen aus einem Zylinder 2 und einem Brennraum 3, der von einem auf- und abgehenden Kolben 5 begrenzt ist. Der Kolben 5 treibt über ein Pleuel 6 eine in einem Kurbelgehäuse 4 drehbar gelagerte Kurbelwelle 7 an.
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Im Brennraum 3 entstehende Abgase werden über einen vom Kolben 5 gesteuerten Auslaß 10 abgeführt. Im Ausführungsbeispiel ist dem Auslaß 10 etwa gegenüberliegend in der Zylinderwand ein Einlaß 11 vorgesehen, der sich in einem Einlaßabschnitt 9 des Zylinderanschlußstutzens 12 fortsetzt. Der Einlaß 11 bildet das eine Ende 13 eines Frischgemisch zuführenden Speicherkanals 14, dessen anderes Ende 15 im Kurbelgehäuse 4 ausmündet. Zwischen seinen Enden 13 und 15 steht der Speicherkanal 14, zweckmäßig über ein Rückschlagventil 24 mit einem Gemischkanal 28 einer ersten Gemischbildungseinrichtung 8a in Verbindung. Die Gemischbildungseinrichtung 8a kann in einem ersten Ausführungsbeispiel als Membranvergaser mit einem Venturi ausgebildet sein.
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Das Kurbelgehäuse 4 weist ferner einen zweckmäßig schlitz- oder membrangesteuerten Kurbelgehäuseeinlaß 16 auf, der mit einem Kraftstoff und/oder Verbrennungsluft zuführenden Ansaugkanal 17 einer weiteren Gemischbildungseinrichtung 8b in Verbindung steht. Ferner steht das Kurbelgehäuse 4 über einen Überströmkanal 18 (3) mit dem Brennraum 3 in Verbindung. Hierzu mündet der Überströmkanal 18 an einem Ende mit einem Überströmfenster 19 (3) in den Brennraum 3 und ist an dem anderen Ende 20 mit dem Kurbelgehäuse 4 verbunden.
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Der Zylinder 2 ist druckgußfähig; alle im Zylinder bzw. der Zylinderwand vorgesehenen Öffnungen und Kanäle können durch gerade Schieber ausgebildet werden. Der Auslaß 10, der Einlaßabschnitt 9 und der Kurbelgehäuseeinlaß 16 sind im wesentlichen als zur Zylinderlängsachse 21 radial ausgerichtet liegende Kanalabschnitte ausgebildet, die auch angestellt sein können.
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Der Einlaß 11 des Speicherkanals 14 in dem Brennraum 3 liegt bei einer Schlitzsteuerung in Hubrichtung 22 des Kolbens 5 oberhalb des Kurbelgehäuseeinlasses 16. Der Speicherkanal 14 ist dabei im wesentlichen als äußeres Bauteil des Zweitaktmotors 1 ausgebildet. Bei einem membrangesteuerten Kurbelgehäuseeinlaß 16 kann auch eine andere Lage vorteilhaft sein.
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Der Auslaß 10, der Einlaß 11 und der Kurbelgehäuseeinlaß 16 sind im Ausführungsbeispiel vom Kolben 5 gesteuert, also schlitzgesteuert. Die Verbindung zwischen der ersten Gemischbildungseinrichtung 8a und dem Speicherkanal 14 erfolgt über ein Rückschlagventil 24, welches im Ausführungsbeispiel als Membranventil ausgeführt ist; eine Schlitzsteuerung kann vorteilhaft sein.
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In 1 fährt der Kolben 5 in Hubrichtung 22 nach oben, wobei der im Kurbelgehäuse 4 anstehende Unterdruck ein Ansaugen eines fetten Kraftstoff/Luft-Gemisches durch das öffnende Rückschlagventil 24 bewirkt. Das fette Gemisch strömt in den Speicherkanal 14 ein. Die Ausbildung kann so vorgesehen sein, daß bei Nenndrehzahl und Vollast soviel Gemisch in den Speicherkanal 14 angesaugt wird, daß ein Anteil von vorteilhaft etwa 0% bis 35%, vorzugsweise etwa 10% des Gemisches in das Kurbelgehäuse 4 übertritt und so zur Schmierung der bewegten Teile beiträgt. Dieser Teilübertritt des angesaugten fetten Gemisches ist in 1 mit den Pfeilen 25 angedeutet. Fährt der Kolben 5 in Hubrichtung 22 weiter in Richtung auf den oberen Totpunkt, so wird auch der Kurbelgehäuseeinlaß 16 geöffnet (2). Über den Ansaugkanal 17 strömt weiteres Kraftstoff/Luft-Gemisch oder reine Verbrennungsluft aus der weiteren Gemischbildungseinrichtung 8b in das Kurbelgehäuse 4 ein.
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Der Auslaß 10 ist geschlossen und das im Brennraum 3 befindliche, verdichtete Gemisch wird nahe dem oberen Totpunkt des Kolbens 5 gezündet. Der Kolben 5 durchfährt – wie 3 zeigt – den oberen Totpunkt und fährt in Hubrichtung 22 nach unten, wobei zunächst der Auslaß 10 geöffnet wird, so daß die Abgase 26 der Verbrennung abströmen können. Kurz nach oder auch gleichzeitig mit dem Auslaß 10 wird das Überströmfenster 19 geöffnet, weshalb das im Kurbelgehäuse 4 zwischengespeicherte Volumen an Gemisch oder Verbrennungsluft 27 in den Brennraum 3 eintritt und die Abgase zum Auslaß 10 verdrängt. Nach weitgehender Entlastung des Brennraums 3 wird auch der Einlaß 11 des Speicherkanals 14 geöffnet. Aufgrund des in Hubrichtung 22 abwärts gefahrenen Kolbens 5 ist nahe des unteren Totpunktes (4) das Kurbelgehäusevolumen stark komprimiert; bei Öffnung des Einlasses 11 wird das im Speicherkanal 14 zwischengespeicherte fette Gemisch aufgrund des hohen Druckes im Kurbelgehäuse 4 in kurzer Zeit in den Brennraum 3 geschoben. Ein Rückströmen zur Gemischbildungseinrichtung 8a ist aufgrund des geschlossenen Rückschlagventils 24 vermieden.
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Anteile der aus dem Kurbelgehäuse in den Brennraum eingetretenen Verbrennungsluft 27 bilden im wesentlichen die Spülverluste; ferner wird das über den Einlaß 11 eintretende fette Gemisch von der zeitlich früher eingetretenen Verbrennungsluft gegenüber dem Auslaß 10 abgeschirmt. Aufgrund der im Brennraum 3 vorherrschenden Strömungen wird die geschichtete Ladung stark verwirbelt und bildet bei weiterer Verdichtung durch den in Hubrichtung 22 nunmehr aufwärtsfahrenden Kolben (5) ein homogenes Gemisch aus. Bei dem in Hubrichtung 22 aufwärtsfahrenden Kolben 5 erfolgt wieder ein Ansaugen und Vorlagern eines fetten Gemisches im Speicherkanal 14 für den nächsten Arbeitszyklus, so wie dies anhand 1 erläutert wurde. Nahe dem oberen Totpunkt (6) erfolgt dann die erneute Zündung im Brennraum 3; der Arbeitszyklus beginnt von vorne.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Strömungsdurchmesser d des zum Speicherkanal 14 führenden Gemischkanals 28 um mehr als die Hälfte kleiner ist, als der Strömungsdurchmesser D des zum Kurbelgehäuseeinlaß 16 führenden Ansaugkanals 17. Dabei ist vorgesehen, im Leerlauf des Verbrennungsmotors den zum Kurbelgehäuseeinlaß 16 führenden Ansaugkanal 17 im wesentlichen vollständig zu schließen und den zum Betrieb notwendigen Kraftstoff und die zum Betrieb notwendige Verbrennungsluft im wesentlichen ausschließlich über den zum Speicherkanal 14 führenden Gemischkanal 28 zuzuführen. So kann der Ansaugkanal 17 zum Kurbelgehäuseeinlaß 16 mittels einer um eine Welle schwenkbaren Drosselklappe 30 im Leerlauf vollständig geschlossen werden, so wie dies in 7 dargestellt ist. Bei vollständig geschlossener Drosselklappe 30 wird über den Kraftstoffpfad 31 zum Ansaugkanal 17 kein Kraftstoff fließen. Dem Kurbelgehäuseeinlaß 16 wird weder Verbrennungsluft noch Kraftstoff zugeführt.
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Im Gemischkanal 28 kann ebenfalls eine Drosselklappe 40 angeordnet sein, welche im Leerlauffall vorzugsweise vollständig geöffnet ist. Im Leerlauf ist die Drosselklappe 30 des Ansaugkanals 17 geschlossen. Über den Kraftstoffpfad 41 wird aufgrund des im Gemischkanal 28 wirkenden Unterdruckes Kraftstoff angesaugt, so daß über den Einlaßabschnitt 9 dem Speicherkanal 14 im wesentlichen die gesamte Luft und der gesamte Kraftstoff zugeführt wird, der zum Betrieb des Verbrennungsmotors im Leerlauffall notwendig ist. Es kann zweckmäßig sein, stromab des Drosselorgans 40 den Kraftstoffpfad 41 und stromauf des Drosselorgans einen zusätzlichen Kraftstoffpfad 41a vorzusehen, der z. B. im Teil- und Vollastbetrieb aktiv ist und als Vergaser, insbesondere Membranvergaser ausgebildet sein kann. Die Drosselklappen 30 und 40 sind z. B. über ein Gestänge 50 miteinander gekoppelt, wobei der Kraftstoffpfad 41 stromab der Drosselklappe 40 in den Gemischkanal 28 mündet und zweckmäßig unterdruckgesteuert ist. So kann der Kraftstoffpfad 41 von einem Vergaser wie einem Membranvergaser gebildet sein. Der in den Ansaugkanal 17 mündende Kraftstoffpfad 31 liegt stromauf der Drosselklappe 30.
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Im Leerlauf ist der Gemischkanal 28 offen und der Ansaugkanal 17 gedrosselt, während im Vollastfall der Gemischkanal 28 gedrosselt und der Ansaugkanal 17 offen ist. Da der Kraftstoffpfad 41 stromab der Drosselklappe 40 liegt, wird im Vollastfall eine erhebliche Menge an Kraftstoff durch den Gemischkanal 28 in den Speicherkanal gefördert.
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Es kann vorteilhaft sein, im Teillastbetrieb und/oder im Vollastbetrieb über den Ansaugkanal 17 dem Kurbelgehäuseeinlaß 16 einen untergeordneten Anteil von Kraftstoff über den Kraftstoffpfad 31 zuzuführen. In zweckmäßiger Ausgestaltung liegt der Anteil etwa im Bereich von 0% bis 35% des gesamten für den Betriebsfall vom Verbrennungsmotor benötigten Kraftstoffs.
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Für die Aufteilung des Kraftstoffes – im Leerlauffall ausschließlich über den Gemischkanal 28; im Teil- und Vollastfall zweckmäßig einen Anteil über den Ansaugkanal 17 – und der benötigten Verbrennungsluft ist es zweckmäßig, wenn das Verhältnis V = d / D des Strömungsdurchmessers d des zum Speicherkanal 14 führenden Gemischkanals 28 zu dem Strömungsdurchmesser D des zum Kurbelgehäuseeinlaß 16 führenden Ansaugkanals 17 in einem Bereich von 1/2 bis liegt.
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Im Ausführungsbeispiel nach 8 sind in den beiden Kanälen 17 und 28 keine Drosselorgane angeordnet. Während in 7 in dem Gemischkanal 28 eine Gemischkanaldrossel 40 und im Ansaugkanal 17 eine Ansaugkanaldrossel 30 angeordnet ist, sind im Ausführungsbeispiel nach 8 der Strömungsquerschnitt des Gemischkanals 28 und/oder der Strömungsquerschnitt des Ansaugkanals 17 unveränderbar ausgelegt. Zur Steuerung des Gemisches sind die Kraftstoffpfade 41 zum Gemischkanal 28 und der Kraftstoffpfad 31 zum Ansaugkanal 17 regelbar, insbesondere mechanisch regelbar. So kann der Kraftstoff über ein Ventil 42, zweckmäßig ein Nadelventil 43, zugeführt werden, wie dies in 9 gezeigt ist. Dort ist der Kraftstoffpfad 41 durch das Nadelventil 43 mechanisch regelbar; die Ventilnadel wird in Abhängigkeit des gewünschten Kraftstoffzuflusses in Verstellrichtung 44 geöffnet oder geschlossen.
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In 9 ist alternativ vorgesehen, den Kraftstoffpfad 31 ungeregelt auszubilden, so daß die Kraftstoffzufuhr ausschließlich über die Druckverhältnisse im Ansaugkanal 17 erfolgt. Zur Drosselung des Ansaugkanals 17 zum Kurbelgehäuseeinlaß 16 kann auch eine Drossel nach Art eines Walzenschiebers 29 vorgesehen sein, welcher um eine quer zum Ansaugkanal 17 liegende Drehachse verstellbar ist.
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Im Ausführungsbeispiel nach 10 ist der Ansaugkanal 17 durch einen Schieber 49 zu drosseln, während der Gemischkanal 28 frei von drosselnden Einrichtungen ist und somit einen im wesentlichen unveränderbaren Strömungsquerschnitt aufweist. In den Gemischkanal 28 erfolgt die Kraftstoffzufuhr über den Kraftstoffpfad 41 durch Unterdruck. Eine derartige Gemischbildungseinrichtung 8a ist bevorzugt durch einen Membranvergaser gebildet.
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In gleicher Weise kann die Gemischbildungseinrichtung 8b im Kraftstoffpfad 31 zum Ansaugkanal 17 stromauf der Ansaugkanaldrossel 49 einen Membranvergaser aufweisen, so daß in Abhängigkeit von dem im Ansaugkanal 17 herrschenden Unterdruck Kraftstoff im Kurbelgehäuseeinlaß 16 zugeführt ist.
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Der Gemischkanal 28 und der Ansaugkanal 17 sind bevorzugt in einem Gehäuse eines doppelflutig ausgebildeten Vergasers 8 angeordnet, wobei die beiden Kanäle 17 und 28 zueinander etwa parallel liegen. Ein derartiger doppelflutiger Vergaser ist ohne großen Aufwand mit dem Zylinderanschlußstutzen 12 des Verbrennungsmotors 1 zu verbinden, sofern der Kurbelgehäuseeinlaß 16 in Hubrichtung 22 des Verbrennungsmotors unterhalb des Einlasses 11 für das Frischgemisch liegt.
