DE10059586A1 - Zweitaktmotor mit Ladungsschichtung - Google Patents

Abstract

Es wird ein schlitzgesteuerter Zweitaktmotor vorgeschlagen, bei dem im Kurbelgehäuse Verbrennungsluft vorverdichtet wird. Der zur Verbrennung notwendige Kraftstoff wird in einem Nebenkanal einem Teil der Verbrennungsluft zugemischt. Das in dem Nebenkanal befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch wird während der Überströmphase durch den Überdruck im Kurbelgehäuse in den Brennraum geschoben. Im Brennraum vermischen sich Verbrennungsluft und das überfettete Kraftstoff-Luft-Gemisch zu einem zündfähigen Gemisch. Durch die Schichtung des Gemisches im Brennraum werden die Spülverluste verringert und die Leistung des erfindungsgemäßen Zweitaktmotors erhöht. Der erfindungsgemäße Zweitaktmotor ist einfach und kompakt aufgebaut.

Description

Die Erfindung betrifft einen schlitzgesteuerten Zweitaktmotor. Schlitzgesteuerte Zweitaktmotoren sind trotz ihres einfachen Aufbaus sehr leistungsfähig und bauen sehr klein. Deshalb bietet sich der Einsatz schlitzgesteuerter Zweitaktmotoren u. a. bei Handwerkzeugen, wie Kettensägen o. dgl., an. Nachteilig an den schlitzgesteuerten Zweitaktmotoren sind deren Spülverluste beim Ladungswechsel, was sich in einem hohen spezifischen Kraftstoffverbrauch und ungünstigen Emissionswerten niederschlägt.

Zur Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs ist es aus dem Buch "Design and Simulation of Two-Stroke-Engines" von G. P. Blair (ISBN 1-56091-685-0) bekannt, parallel zum membrangesteuerten Einlaßkanal einen Nebenkanal vorzusehen, welcher Kurbelgehäuse und Brennraum verbindet. In diesen Nebenkanal mündet in der Nähe des Brennraums ein Vergaser.

Durch den Vergaser wird die Luft im Nebenkanal mit Kraftstoff versetzt, wobei das Kraftstoff/Luft-Verhältnis λ sehr viel größer 1 ist. Im Wesentlichen zeitgleich mit dem Überströmen der vorverdichteten Verbrennungsluft aus dem Kurbelgehäuse in dem Brennraum strömt das überfettete Kraftstoff/Luft-Gemisch auf dem Nebenkanal in den Brennraum. Dadurch kann eine Ladungsschichtung im Brennraum erzielt werden, welche die Spülverluste und damit auch den spezifischen Kraftstoffbedarf verringert. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass sowohl der Einlaßkanal als auch der Nebenkanal mit einem Rückschlagventil ausgerüstet sein müssen und der erforderliche Bauraum wegen des membrangesteuerten Einlasses sehr groß ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen schlitzgesteuerten Zweitaktmotor bereitzustellen, welcher einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten spezifischen Kraftstoffverbrauch hat und trotzdem einfach und kompakt aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Zweitaktmotor mit Schlitzsteuerung, der sich dadurch auszeichnet, dass der Einlaßkanal eine Drosselklappe aufweist, dass über den Einlaßkanal ausschließlich Verbrennungsluft angesaugt wird, dass ein Nebenkanal vorhanden ist, dass der Nebenkanal einenends in das Kurbelgehäuse und anderenends in den Brennraum mündet, dass der Nebenkanal von einer Kolbenoberkante des Kolbens gesteuert wird, dass in den Nebenkanal ein Vergaser mündet, und dass zwischen Vergaser und Nebenkanal ein Rückschlagventil angeordnet ist.

Bei diesem erfindungsgemäßen Zweitaktmotor kann auf ein Rückschlagventil im Einlaßkanal verzichtet werden, da der Einlaßkanal von der Kolbenoberkante des Kolbens gesteuert wird. Infolgedessen verringern sich sowohl der benötigte Bauraum als auch die Herstellungskosten.

In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Nebenkanal länger als der mindestens eine Überströmkanal ist, und dass der Vergaser in der Nähe des Brennraums in den Nebenkanal mündet, so dass nur ein kleiner Teil des überfetteten Kraftstoff/Luft-Gemisches vom Nebenkanal in das Kurbelgehäuse strömt und den Kurbeltrieb schmiert. Durch die Überströmkanäle strömt somit nahezu reine Verbrennungsluft in den Brennraum. Dadurch wird die Ladungsschichtung im Brennraum weiter verbessert, was sich in einem weiter reduzierten spezifischen Kraftstoffverbrauch sowie weiter gesteigerter Leistung und Drehmoment niederschlägt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform mündet der Nebenkanal auf der dem Zylinder abgewandten Seite des Kurbelgehäuses in das selbe, so dass die erforderliche Länge des Nebenkanals auf einfache und platzsparende Weise erreicht wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind Nebenkanal und Auslaßkanal einander gegenüberliegend angeordnet, so dass, wegen der größtmöglichen räumlichen Entfernung zueinander, die Spülverluste weiter reduziert werden.

Weitere Varianten der Erfindung sehen vor, dass der Nebenkanal durch den Einlaßkanal geführt wird, und/oder dass der Einlaßkanal durch den Nebenkanal geführt wird, so dass der erforderliche Bauraum weiter verringert wird und außerdem auf einfache Weise Einlaßkanal und Nebenkanal einen gemeinsamen Luftfilter nutzen können. Außerdem können wegen der räumlichen Nähe zueinander die Drosselklappe des Einlaßkanals und die Drosselklappe des Nebenkanals in allen Betriebspunkten des Zweitaktmotors und über die gesamte Lebensdauer desselben auf einfache und zuverlässige Weise synchron angesteuert werden, so dass das Betriebsverhalten über die gesamte Lebensdauer des erfindungsgemäßen Zweitaktmotors optimal ist. Dies führt zu einer weiteren Verringerung des erforderlichen Bauraums und reduziert die Kosten.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn über den Einlaßkanal 60% bis 90%, besonders bevorzugt 80% der Verbrennungsluft angesaugt wird, so dass einerseits eine gute Ladungsschichtung ermöglicht werden und andererseits der Luftmassenstrom im Nebenkanal ausreichend groß ist, um die erforderliche Kraftstoffmenge aufnehmen zu können.

Bei der Verwendung eines Membranventils als Rückschlagventil im Nebenkanal können die Vorteile dieses an sich bekannten Ventils auch für den erfindungsgemäßen Zweitaktmotor genutzt werden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnommen werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zweitaktmotors im Längsschnitt;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zweitaktmotors entlang der Schnittlinie A-A;

Fig. 3 ein Leistungsdiagramm eines erfindungsgemäßen Zweitaktmotors;

Fig. 4 ein Drehmomentdiagramm eines erfindungsgemäßen Zweitaktmotors; und

Fig. 5 den spezifischen Kraftstoffverbrauch eines erfindungsgemäßen Zweitaktmotors bei verschiedenen Drehzahlen.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinder 1 eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen schlitzgesteuerten Zweitaktmotors. An den Zylinder 1 ist ein Zylinderkopf 3 mit einem Brennraum 5 einstückig angegossen. Ein in einer Zylinderbohrung 7 oszillierender Kolben 8 ist im unteren Totpunkt (UT) dargestellt.

Der Zylinder 1 weist einen Einlaßkanal 9, einen Auslaßkanal 11, Überströmkanäle 13 und einen Nebenkanal 15 auf. Der Kolben 8 ist über ein Pleuel 17 mit einer Kurbelwelle 19, die in einem Kurbelgehäuse 21 gelagert ist, verbunden.

Der Nebenkanal 15 mündet etwa auf gleicher Höhe wie die Überströmkanäle 13 in die Zylinderbohrung 7. An seinem anderen Ende mündet der Nebenkanal 15 in das Kurbelgehäuse 21. An den Nebenkanal 15 ist ein nur andeutungsweise dargestellter Vergaser 23 angeflanscht. Zwischen Vergaser 23 und Nebenkanal 15 ist ein als Membranventil ausgebildetes Rückschlagventil 25 angeordnet. Das Rückschlagventil 25 verhindert ein Rückströmen der vorverdicheten Luft aus dem Kurbelgehäuse 21 in den Vergaser 23. Der Rückstrom von vorverdicheter Luft aus dem Kurbelgehäuse 21 in den Einlaßkanal 9 wird durch den Kolben 8 verhindert. Nur während der Saugphase gibt der Kolben 8 die Verbindung zwischen Einlaßkanal 9 und Innerem des Kurbelgehäuses 21 frei.

In Fig. 1 ist der Kolben 8 im UT dargestellt. In dieser Stellung gibt eine Kolbenoberkante 27 den Nebenkanal 15, die Überströmkanäle 13 und den Auslaßkanal 11 frei, so dass einerseits das während bzw. zu Beginn des vorhergehenden Arbeitstaktes verbrannte Kraftstoff/Luft-Gemisch durch den Auslaßkanal 11 entweichen kann und andererseits die im Kurbelgehäuse 21 vorverdichtete Verbrennungsluft, welche über den Einlaßkanal 9 angesaugt wurde, dass die Überströmkanäle 13 in die Zylinderbohrung 7 einströmen kann. Außerdem strömt über den Nebenkanal 15 ein in Fig. 1 nicht dargestelltes überfettetes Kraftstoff/Luft-Gemisch mit λ << 1 in die Zylinderbohrung 7. Die aus den Überströmkanälen 13 in die Zylinderbohrung 7 strömende Verbrennungsluft und das überfettete Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Nebenkanal 15 vermischen sich in der Zylinderbohrung dergestalt, dass sich eine Ladungsschichtung einstellt. Außerdem hat die Verbrennungsluft, welche aus den Überströmkanälen 13 in die Zylinderbohrung 7 strömt eine Sperrwirkung bzgl. des aus dem Nebenkanal in die Zylinderbohrung 7 strömenden Kraftstoff/Luft-Gemisches, so dass kein unverbrannter Kraftstoff in den Auslaßkanal 11 gelangt. Infolgedessen werden der spezifische Kraftstoffverbrauch und das Emissionsverhalten des erfindungsgemäßen Zweitaktmotors verbessert. Außerdem steigen Leistung und Drehmoment an.

Da der Vergaser 23 über den Nebenkanal 15 mit dem Kurbelgehäuse 21 in Verbindung steht, saugt der Kolben auf seinem Weg von UT nach OT Verbrennungsluft sowohl durch den Einlaßkanal 9 als auch durch den Vergaser 23 an. Im Vergaser 23 wird die angesaugte Luft in einem überstöchiometrischen Verhältnis mit Kraftstoff versetzt. Dieses überfettete Kraftstoff/Luft-Gemisch strömt zunächst vom Vergaser 23 durch das wegen des Unterdrucks im Kurbelgehäuse 21 geöffnete Rückschlagventil 25 in Richtung des Kurbelgehäuses 21.

Die Länge, bzw. das Volumen, des Nebenkanals 15 in dem Abschnitt zwischen Vergaser 23 und der Mündung des Nebenkanals 15 in dem Kurbelgehäuse 21 ist so bemessen, dass nur ein kleiner Teil (ca. 5% bis 10%) des überfetteten Kraftstoff/Luft-Gemisches vom Nebenkanal in das Kurbelgehäuse strömt und den Kurbeltrieb schmiert. Durch die Überströmkanäle strömt somit nahezu reine Verbrennungsluft in den Brennraum. Das im Nebenkanal 15 verbleibende überfettete Kraftstoff/Luft- Gemisch verdampft zumindest teilweise im Nebenkanal 15, was die anschließende Verbrennung im Brennraum verbessert.

Während des Arbeitstaktes, wenn sich der Kolben 8 von OT nach UT bewegt wird die Verbrennungsluft im Kurbelgehäuse 21 vorverdichtet. Diese Druckerhöhung erfährt auch das im Nebenkanal 15 vorhandene überfettete Kraftstoff/Luft-Gemisch. Sobald die Kolbenoberkante 27 bei ihrer Abwärtsbewegung während des Arbeitstaktes die Überströmkanäle 13 und im Nebenkanal 15 freigibt, strömen sowohl Verbrennungsluft durch die Überströmkanäle 13 als auch überfettetes Kraftstoff/Luft- Gemisch aus dem Nebenkanal 15 in die Zylinderbohrung 7 und bewirken dort die o. g. Ladungsschichtung.

Aus der Darstellung von Fig. 1 ist zu erkennen, dass der erfindungsgemäße Zweitaktmotor nur unwesentlicher größer baut als ein herkömmlicher schlitzgesteuerter Zweitaktmotor. Der zusätzliche Bauraum fällt im Wesentlichen nur durch den Nebenkanal 15 und den parallel zum Vergaser 23 angeordneten Einlaßkanal 9 an. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Vergaser 23, wegen der kleinen Luftmenge, welche durch ihn strömt, kleiner als der Vergaser eines herkömmlichen schlitzgesteuerten Zweitaktmotors ausgebildet werden kann. Außerdem ist aus Fig. 1 ersichtlich, dass Einlaßkanal 9 und Vergaser 23 einen gemeinsamen, in Fig. 1 nicht dargestellten, Luftfilter nutzen können.

Im Einlaßkanal 9 ist eine Drosselklappe 29 angeordnet, die dazu dient die angesaugte Verbrennungsluftmenge zu steuern. Wegen der Nähe zum Vergaser 23 können Drosselklappe 29 und Vergaser 23 auf einfache und platzsparende Weise synchron angesteuert wereden. Die gemeinsame Ansteuerung von Vergaser 23 und Drosselklappe 29 ist in Fig. 1 nicht dargestellt.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 entlang der Schnittlinie A-A dargestellt. Aus dieser Ansicht wird besonders deutlich, dass der Nebenkanal 15 den Einlaßkanal 9 durchdringt und keine Vermischung der Verbrennungsluft im Einlaßkanal 9 und des überfetteten Kraftstoff/Luft-Gemisches im Nebenkanal 15 stattfindet. Um den Strömungswiderstand im Einlaßkanal 9 möglichst gering zu halten ist der Einlaßkanal 9 zumindest in dem Bereich in dem der Nebenkanal 15 den Einlaßkanal 9 durchdringt, relativ breit ausgebildet. Dadurch verbleibt ein ausreichend großer freier Strömungsquerschnitt im Einlaßkanal 9. Der Übergang zwischen den Bereichen unterschiedlichen Querschnitts des Einlaßkanals 9 erfolgt so, dass der Strömungwiderstand des gesamten Einlaßkanals 9 möglichst gering ist.

In Fig. 2 ist außerdem eine Mechanik 31 zur Betätigung der Drosselklappe 29 und des in Fig. 2 nicht dargestellten Vergasers 23 angedeutet.

Im Ergebnis führt die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Zweitaktmotors zu einer deutlichen Leistungssteigerung bei gleichzeitig verbessertem Wirkungsgrad, wie sich anhand der Fig. 3 bis 5 eindrücklich belegen läßt.

In den Fig. 3, 4 und 5 sind die Leistung P [kW], das Moment M [Nm] und der spezifische Kraftstoffverbrauch be [g/kWH] über der Drehzahl n [1/min] dargestellt. Die durchgezogenen Linien 33, 35, 37 zeigen jeweils das Betriebsverhalten eines Zweitaktmotors nach dem Stand der Technik, während die gestrichelt dargestellten Linien 39, 41, 43 das Betriebsverhalten eines erfindungsgemäßen Zweitaktmotors darstellen.

Betrachtet man zunächst Fig. 4, so fällt auf, dass das Drehmoment über einen Drehzahlbereich von etwa 4.500/min bis etwa 6.300/min bei dem erfindungsgemäßen Zweitaktmotor nahezu konstant ist (siehe Linie 41), während das Drehmoment bei einem Zweitaktmotor nach dem Stand der Technik (siehe Linie 35) deutlich geringer ist und bei Drehzahlen oberhalb 5500 /min stark abnimmt. Im Arbeitsbereich hat der erfindungsgemäße Zweitaktmotor zwischen 23% und 29% mehr Drehmoment als ein herkömmlicher Zweitaktmotor!

In Folge dessen weisen auch die Leistungen gemäß Fig. 4 des erfindungsgemäßen Zweitaktmotors und eines Zweitaktmotors nach dem Stand der Technik deutliche Unterschiede auf. Der Leistungszuwachs eines erfindungsgemäßen Zweitaktmotors ist im o. g. Drehzahlbereich nahezu linear (siehe Linie 39), während die Leistung bei einem Zweitaktmotor nach dem Stand der Technik erstens deutlich geringer ist und außerdem größeren Schwankungen über das Drehzahlband unterliegt (siehe Linie 33).

In Fig. 5 ist der spezifische Kraftstoffverbrauch be in g/kWh über der Drehzahl n dargestellt. Bei einem Zweitaktmotor nach dem Stand der Technik (siehe Linie 37) ist der spezifische Kraftstoffverbrauch be stets größer als 600 g/kWh. Das Minimum wird bei einer Drehzahl von etwa 5.500 Umdrehungen erreicht. Bei höheren Drehzahlen steigt der spezifische Kraftstoffverbrauch be bis auf 1400 g/kWh an.

Bei dem erfindungsgemäßen Zweitaktmotor (siehe Linie 43) liegt der spezifische Kraftstoffverbrauch be in allen gemessenen Drehzahlen deutlich unter 400 g/kWh. D. h. neben der durch die Fig. 3 und 4 nachgewiesenen Leistung- und Drehmomentsteigerung eines erfindungsgemäßen Zweitaktmotors, wird zusätzlich der spezifische Kraftstoffverbrauch be deutlich verringert. Im Arbeitsbereich bei Drehzahlen oberhalb 6.000/min verringert sich der spezifische Verbrauch um bis zu 55%.

Claims (14)

1. Zweitaktmotor mit Schlitzsteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaßkanal (9) eine Drosselklappe (29) aufweist, dass über den Einlaßkanal (9) ausschließlich Verbrennungsluft angesaugt wird, dass ein Nebenkanal (15) vorhanden ist, dass der Nebenkanal (15) einenends in das Kurbelgehäuse (21) und anderenends in den Brennraum (5) mündet, dass der Nebenkanal (15) von einer Kolbenoberkante (27) des Kolbens (8) gesteuert wird, dass in den Nebenkanal (15) ein Vergaser (23) mündet, und dass zwischen Vergaser (23) und Nebenkanal (15) ein Rückschlagventil (25) angeordnet ist.

2. Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweitaktmotor ein Kurbelgehäuse (21) und einen Zylinder (1) mit einer Zylinderbohrung (7) aufweist, dass in der Zylinderbohrung (7) ein Kolben (8) oszilliert, dass die Zylinderbohrung (7) und ein Kolbenboden () des Kolbens (8) einen Brennraum (5) begrenzen, dass mindestens ein Kurbelgehäuse (21) und Zylinderbohrung (7) verbindender Überströmkanal (13) vorgesehen ist, dass der mindestens eine Überströmkanal (13) durch die Kolbenoberkante (27) gesteuert wird, und dass mindestens ein Auslaßkanal (11) vorgesehen ist.

3. Zweitaktmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkanal (15) länger als der mindestens eine Überströmkanal (13) ist, und dass der Vergaser (23) in der Nähe des Brennraums (5) in den Nebenkanal (15) mündet.

4. Zweitaktmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkanal (15) auf der dem Zylinder (1) abgewandten Seite des Kurbelgehäuses (21) in das Kurbelgehäuse (21) mündet.

5. Zweitaktmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einlaßkanal (9) und Auslaßkanal (11) einander gegenüber liegend angeordnet sind.

6. Zweitaktmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Nebenkanal (15) und Auslaßkanal (11) einander gegenüber liegend angeordnet sind.

7. Zweitaktmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkanal (15) durch den Einlaßkanal (9) geführt wird.

8. Zweitaktmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaßkanal (9) durch den Nebenkanal (15) geführt wird.

9. Zweitaktmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einlaßkanal (9) und Nebenkanal (15) saugseitig in einen gemeinsamen Luftfilter münden.

10. Zweitaktmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über den Einlaßkanal (9) 60% bis 90%, besonders bevorzugt 80% der Verbrennungsluft angesaugt werden.

11. Zweitaktmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (25) ein Membranventil ist.

12. Zweitaktmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe (29) mechanisch oder elektrisch gesteuert wird.

13. Zweitaktmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Überströmkanäle (13) vorhanden sind.

14. Zweitaktmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mehrere Zylinder (1) aufweist.