DE10104445A1 - Verbrennungsmotor mit Membranvergaser und einstellbarem CO - Google Patents
Verbrennungsmotor mit Membranvergaser und einstellbarem COInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor in einem handgeführten Arbeitsgerät mit einem Zylinder (2) und einem Kurbelgehäuse (4). Ein im Zylinder (2) angeordnter Kolben (5) begrenzt einen Brennraum (3) und treibt über ein Pleuel (6) eine im Kurbelgehäuse (4) angeordnete Kurbelwelle (7) drehend an. Über einen Membranvergaser (8) wird dem Verbrennungsmotor ein Kraftstoff/Luft-Gemisch zugeführt, wobei der Regelraum (22) des Membranvergasers (8) von einer Regelmembran (28) begrenzt ist, die ein Zulaufventil (23) steuert. Auf der Trockenseite der Regelmembran (28) ist ein Kompensationsraum (29) ausgebildet, der über einen Strömungspfad (40) mit einer abhängig von der Motordrehzahl pulsierenden Druckquelle (39) verbunden ist. In dem Strömungspfad (40) ist ein Rückschlagventil (41) angeordnet, wobei der Kompensationsraum (29) über eine in einem weiteren Strömungspfad (43) angeordnete Drossel (44) zu entlasten ist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Verbrennungsmotor ist aus der
DE 199 00 445 A1 bekannt. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch wird
in das Kurbelgehäuse angesaugt und bei abwärtsfahrendem
Kolben über überströmkanäle in den Brennraum gefördert. Zur
Senkung der Spülverluste stehen insbesondere die auslaßnah
liegenden Überströmkanäle über Membranventile mit reine
Luft zuführenden Luftkanälen in Verbindung, so daß das
fette Gemisch gegenüber dem Auslaß durch die einströmende
Luft abgeschirmt wird. Der bekannte Motor zeigt ein sehr
gutes Abgasverhalten bei geringem Kraftstoffverbrauch.
Nachteilig ist, daß ein derartiger Motor unter Vollast und
sinkender Drehzahl abmagert, da in einem derartigen Be
triebszustand über die Luftkanäle überproportional viel
kraftstofffreie Luft zugeführt wird. Die Leistungsabgabe
des Motors sinkt, was zu einer weiteren Drehzahlabsenkung
führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Ver
brennungsmotor der gattungsgemäßen Art derart weiterzu
bilden, daß auch bei unter Vollast absinkender Drehzahl
eine kraftvolle Leistungsabgabe gewährleistet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das im Strömungspfad von der Druckquelle zum Kompensations
raum angeordnete Rückschlagventil bewirkt eine Mittelwert
anhebung des pulsierenden Druckes der Druckquelle. Wird als
Druckquelle der Ansaugkanal oder der Reinraum eines Luft
filters genutzt, kann im stationären Betriebszustand ein
Druckmittelwert abgegriffen werden. Das Rückschlagventil
läßt - je nach Schaltung - obere oder untere Druckspitzen
passieren, so daß auf der der Druckquelle abgewandten Seite
des Rückschlagventils lediglich die Druckspitzen auftreten,
die zu einem betragsmäßig größeren Druckmittelwert führen.
So können im Kompensationsraum je nach gewünschter Beein
flussung der Regelmembran die positiven oder negativen
Druckspitzen des pulsierenden Druckes der Druckquelle ge
speichert werden. Je nach Verhalten des zu betreibenden
Verbrennungsmotors wird dies dazu genutzt, um unter bei
Vollast abgefallener Drehzahl den Kraftstofffluß so zu be
einflussen und einzustellen, daß eine kraftvolle Leistungs
entfaltung sichergestellt ist. Damit sich der Druckmittel
wert im Kompensationsraum zeitverzögert den jeweiligen
stationären Betriebszuständen des Verbrennungsmotor anpaßt,
ist vorgesehen, den Kompensationsraum über eine in einem
weiteren Strömungspfad angeordnete Drossel permanent zu
entlasten.
Eine zuverlässige Wirkung kann erzielt werden, wenn der
Drosselquerschnitt kleiner, vorzugsweise um ein Mehrfaches
kleiner ist als der Strömungsquerschnitt des Rückschlag
ventils.
Zweckmäßig wird die Drossel für den jeweiligen Ver
brennungsmotor konstruktiv festgelegt und als Festdrossel
ausgeführt, so daß in einfacher Weise eine Serienfertigung
des für den Verbrennungsmotor vorgesehenen Membranvergasers
möglich ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den wei
teren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in
der ein nachfolgend im einzelnen beschriebenes Ausführungs
beispiel der Erfindung dargestellt ist.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Zweitakt
motor mit vier gaszuführenden Kanälen,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 ein schematisches Funktionsschaubild des Zweitakt
motors mit Membranvergaser nach Fig. 1,
Fig. 4 in schematischer Darstellung den Druckverlauf vor
und nach dem Mitteldruckregler,
Fig. 5 ein Schaubild mit vergleichenden Kurven des Druckes
P und des Kohlenmonoxydanteils CO mit und ohne
Mitteldruckregler,
Fig. 6 einen anderen Verlauf des Druckes P und des Kohlen
monoxydanteils CO in korrigiertem und nicht korri
giertem Zustand.
Der in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Ver
brennungsmotor 1 ist vorzugsweise ein Einzylindermotor und
insbesondere als Zweitaktmotor mit oder ohne Spülvorlage
ausgeführt. Ein derartiger Zweitaktmotor ist insbesondere
als Antriebsmotor in einem tragbaren, handgeführten
Arbeitsgerät wie einer Motorkettensäge, einem Trenn
schleifer, einem Freischneidegerät, einer Heckenschere oder
dgl. vorteilhaft einsetzbar.
Der Verbrennungsmotor 1 besteht aus einem Zylinder 2 und
einem Kurbelgehäuse 4 sowie einem im Zylinder 2 auf- und
abfahrenden Kolben 5. Der Kolben 5 begrenzt mit dem Zy
linder 2 einen Brennraum 3 und treibt über ein Pleuel 6
eine im Kurbelgehäuse 4 drehbar gelagerte Kurbelwelle 7 an.
Dem Brennraum 3 ist ein Auslaß 10 zugeordnet, über den Ab
gase abströmen. Das zum Betrieb des Verbrennungsmotors not
wendige Kraftstoff/Luft-Gemisch wird in einem Venturi eines
Membranvergasers 8 aufbereitet und über einen Einlaßkanal 9
und einen Einlaß 11 dem Kurbelgehäuse 4 zugeführt. Das
Kurbelgehäuse 4 ist über zumindest zwei überströmkanälen 12
mit dem Brennraum 3 verbunden. Die in den Brennraum 3
mündenden Einlaßfenster 13 der überströmkanäle 12 liegen
bezogen auf eine Symmetrieachse 14 einander etwa diametral
gegenüber.
In Umfangsrichtung des Zylinders 2 liegen zwischen den aus
laßfern angeordneten Überströmkanälen 12 und dem Auslaß 10
jeweils ein weiterer auslaßnaher Kanal 15, deren Einlaß
fenster 16 einander gegenüberliegen. Die Kanäle 15 sind
vorteilhaft ebenfalls zum Kurbelgehäuse 4 offen, stehen
aber im Bereich des Einlaßfensters 16 über ein Membran
ventil 21 mit einem äußeren Luftkanal 20 in Verbindung,
über welche dem Verbrennungsmotor ausschließlich kraft
stofffreie Luft zugeführt wird. Das fette Kraftstoff/Luft-
Gemisch strömt in Pfeilrichtung 17 auslaßfern in den Brennraum
3 ein, während die in den überströmkanälen 15 vorge
lagerte Luft als schützender Vorhang in Pfeilrichtung 18 in
den Brennraum eintritt.
Der Kolben 5 steuert in bekannter Weise den Auslaß 10, den
Einlaß 11 sowie die Einlaßfenster 13 und 16 der überström
kanäle 12 und 15. Bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 5
werden alle in den Brennraum 3 einmündenden Kanäle 12 und
15 geschlossen, während der Einlaß 11 des Membranvergasers
8 zum Kurbelgehäuse 4 geöffnet wird. Aufgrund des aufwärts
fahrenden Kolbens 5 entsteht im Kurbelgehäuse 4 ein Unter
druck, der durch Ansaugen eines Kraftstoff/Luft-Gemisches
über den Einlaß 11 ausgeglichen wird. Da die überström
kanäle 12 und 15 zum Kurbelgehäuse 4 hin offen sind, be
wirkt der im Kurbelgehäuse 4 anstehende Unterdruck gleich
zeitig ein Ansaugen von Luft über die Luftkanäle 20 und die
aufgrund der Druckverhältnisse offenstehenden Membran
ventile 21. Die großvolumigen auslaßnahen überströmkanäle
15 füllen sich mit Luft, wobei mit zunehmenden Druck
ausgleich im Kurbelgehäuse die Membranventile 21 schließen
und ein weiteres Einströmen von Luft unterbunden ist. In
den auslaßnahen überströmkanälen 15 steht somit im wesent
lichen reine Luft an.
Nach der im Bereich des oberen Totpunktes erfolgten Zündung
des verdichteten Gemisches im Brennraum 3 wird der Kolben 5
durch den Explosionsdruck nach unten in Richtung zum
Kurbelgehäuse 4 fahren, wobei - aufgrund der Lage der Ein
laßfenster 13 und 16 - zunächst der Auslaß 10 geöffnet wird
und ein Teil der unter Druck stehenden Abgase abströmt. Bei
der weiteren Abwärtsbewegung des Kolbens 5 öffnen - im Aus
führungsbeispiel gleichzeitig - die Einlaßfenster 13 und 16
der Überströmkanäle 12 und 15, wobei über die Kanäle 12
ausschließlich fettes Kraftstoff/Luft-Gemisch einströmt,
während aufgrund des sich aufbauenden Überdrucks im Kurbel
gehäuse 4 das in den auslaßnahen Kanälen 15 vorgelagerte
Luftvolumen über die Eintrittsfenster 16 in den Brennraum 3
geschoben wird. Die in Pfeilrichtung 18 eintretende Luft
legt sich wie ein schützender Vorhang vor den Auslaß 10, so
daß das fette Gemisch am Abströmen gehindert wird.
Wie die Fig. 5 und 6 zeigen, ändert sich über die Drehzahl
n des Verbrennungsmotors 1 der Kohlenmonoxydanteil CO im
Abgas deutlich. So ist z. B. bei einem Verbrennungsmotor
gemäß Fig. 1 eine zu niedrigen Drehzahlen abfallende CO-
Kurve (Fig. 5) leicht zu erkennen, daß unter Vollast und
abfallender Drehzahl zu einer Abmagerung des Gemisches
führt. Dem Verbrennungsmotor 1 wird bei unter Last ab
sinkender Drehzahl aufgrund der Luftkanäle 20 über
proportionale Luft zugeführt, was eine Leistungseinbuße zur
Folge hat und zum Absterben des Motors führen kann. Um über
den gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors ein
weitgehend konstantes Lambda im Brennraum 3 zu gewähr
leisten, also eine flache CO-Kurve zu erreichen, wird der
Membranvergaser 8 mit einem Mitteldruckregler 19 (Fig. 3)
beschaltet. Der Aufbau und die Wirkungsweise ist nach
stehend anhand des schematischen Funktionsbilds Fig. 3 be
schrieben.
Der Membranvergaser 8 besteht im wesentlichen aus einem
Regelraum 22, dem über ein Zulaufventil 23 aus einem Kraft
stofftank 24 unter Nutzung einer Kraftstoffpumpe 27 Kraft
stoff zugeführt ist. Das Ventilglied 25 ist dabei über eine
Hebelmimik 26 von einer Regelmembran 28 gesteuert. Die
Regelmembran 28 begrenzt den Regelraum 22; auf der Trocken
seite der Regelmembran 28 ist ein Kompensationsraum 29 aus
gebildet.
Die bei Betrieb des Verbrennungsmotors 1 in Pfeilrichtung
über den Luftfilter 30 einströmende Verbrennungsluft durch
strömt das Venturi 31 des Membranvergasers 8 und fördert
dabei aufgrund der Druckverhältnisse über eine Hauptdüse 32
Kraftstoff in den Einlaßkanal 9. Das so gebildete Gemisch
tritt über den Einlaß 11 in das Kurbelgehäuse 4 ein. Zur
Steuerung sind im Bereich des Venturi 31 eine Drosselklappe
33 sowie stromauf der Drosselklappe 33 eine Chokeklappe 34
angeordnet.
Der in Pfeilrichtung 35 abströmende Kraftstoff führt zu ei
nem Druck Pr im Regelraum 22, der eine Auslenkung der
Regelmembran 28 und damit ein Öffnen des Zulaufventils 23
bewirkt. Aus dem Kraftstofftank 24 kann zum Druckausgleich
Kraftstoff nachfliesen.
Der im Kompensationsraum 29 anstehende Druck wird zur
Steuerung der Regelmembran 28 und damit zu einer Beein
flussung des Zulaufventils 23 und der Druckverhältnisse Pr
im Regelraum 22 genutzt. Der Kompensationsraum 29 steht
über einem Strömungspfad 40 mit einer abhängig von der
Motordrehzahl pulsierenden Druckquelle in Verbindung, wel
che z. B. durch den Einlaßkanal 9 oder den Reinluftraum 39
des Luftfilters 30 gebildet sein kann. In dem Strömungspfad
40 vom Kompensationsraum 29 zum Reinraum 39 des Luftfilters
30 ist ein Einwegventil, also ein Rückschlagventil 41 ange
ordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Rück
schlagventil 41 als Entenschnabelventil 42 ausgebildet,
welches in Strömungsrichtung zum Kompensationsraum 29
öffnend angeordnet ist.
Das Rückschlagventil 41 bewirkt eine Anhebung des Druck
mittelwertes PM auf P'M. Im Reinraum 39 treten pulsierende
Druckschwankungen auf, die in Fig. 4 links dargestellt
sind. Bei geöffneter Drosselklappe 33 und niedriger Dreh
zahl ergibt sich eine Pulsationskurve 36 mit ausgeprägten
Amplituden. Dies führt zu einem Druckmittelwert PM im
Reinraum 39.
Stromab des Rückschlagventils 41 treten lediglich die
Druckspitzen 36' auf, die zu einem Druckmittelwert P'M
führen, der um den Wert ΔP höher ist als der Druckmittel
wert PM im Reinraum 39. Der höhere Druckmittelwert P'M im
Kompensationsraum 29 führt bereits bei geringen Unter
drücken Pr zu einer Auslenkung der Regelmembran 28 im
Sinne eines Öffnens des Zulaufventils 23. An der Hauptdüse
32 tritt vermehrt Kraftstoff aus, so daß bei unter Vollast
abfallender Drehzahl der anwachsende Druckmittelwert P'M
eine vermehrte Kraftstoffförderung bewirkt, was zu einer
Anhebung der Kohlenmonoxydkurve im Bereich niederer Dreh
zahl führt. Dies ist in Fig. 5 strichliert als Kurve CO'
dargestellt.
Da bei hohen Drehzahlen die Druckschwankungen im Reinraum
39 entsprechend der Pulsationskurve 37 in Fig. 4 eine
kleinere Amplitude haben, stellt sich ein punktiert einge
zeichneter Druckmittelwert 38 im Reinraum 39 ein. Aufgrund
des Rückschlagventils 41 ist stromab des Entenschnabel
ventils 42 lediglich eine kleine Druckspitze 37' wirksam;
die Druckspitzen 37' führen zu einem Druckmittelwert 38',
der nur wenig höher ist als der Druckmittelwert 38 der
Pulsationskurve 37. Bei hohen Drehzahlen hat der Mittel
druckregler 19 somit kaum Auswirkungen auf die Kohlen
monoxyd bzw. die Druckkurve, so daß bei hohen Drehzahlen
die Kurven weitgehend unverändert bleiben.
Um eine Anpassung des im Kompensationsraum 29 anstehenden
Druckmittelwertes P'M an dem jeweiligen Betriebszustand
sicherzustellen, ist der Kompensationsraum 29 über einen
weiteren Strömungspfad 43, in dem eine Drossel 44 ange
ordnet ist, mit der Druckquelle bzw. dem Reinraum 39 ver
bunden. Über die Drossel 44 wird der Kompensationsraum 29
entlastet, so daß sich ein zeitverzögertes Anpassen des
Druckmittelwertes P'M an den jeweiligen stationären
Betriebszustand des Verbrennungsmotors ergibt. Der Drossel
querschnitt 45 ist kleiner als der Strömungsquerschnitt 46
des Rückschlagventils 41. Bevorzugt ist der Drossel
querschnitt 45 um ein Mehrfaches kleiner als der Strömungs
querschnitt 46. Die Drossel 44 ist dabei zweckmäßig als
Festdrossel vorgesehen, die insbesondere als Bypass zum
Rückschlagventil 41 geschaltet sein kann.
Das Rückschlagventil 41 ist im Ausführungsbeispiel nach
Fig. 3 in Strömungsrichtung zum Kompensationsraum 29
öffnend geschaltet; damit kann gemäß Fig. 5 eine Anhebung
der Druckkurve und der Kohlenmonoxydkurve zu niedrigen
Drehzahlen hin erreicht werden. Wird das Rückschlagventil
41 zum Reinraum 39 des Luftfilters 30 hin angeordnet, so
ergibt sich die gegenteilige Wirkung. Der Druckmittelwert
im Kompensationsraum 29 wird abgesenkt; ein Betätigen der
Regelmembran 28 erfordert daher höhere Kräfte. Bei Vollast
ergibt sich dadurch in Richtung auf die unteren Drehzahl
bereiche eine Absenkung der Druckkurve P' bzw. der Kohlen
monoxydkurve CO' wie in Fig. 6 dargestellt. Die Einbaulage
des Einwegventils bzw. Rückschlagventils 41 bestimmt sich
somit nach dem festgestellten Verlauf der Kohlenmonoxyd
kurve CO des Verbrennungsmotors 1.
Claims (9)
1. Verbrennungsmotor, insbesondere für ein tragbares,
handgeführtes Arbeitsgerät wie eine Motorkettensäge,
einen Trennschleifer, ein Freischneidegerät oder dgl.,
mit einem Zylinder (2) und einem Kurbelgehäuse (4), mit
einem im Zylinder (2) auf- und abfahrendem Kolben (5),
der mit dem Zylinder (2) einen Brennraum (3) begrenzt
und eine im Kurbelgehäuse(4) drehbar gelagerte Kurbel
welle (7) antreibt, mit einem Membranvergaser (8), über
den ein Kraftstoff/Luft-Gemisch zum Betrieb des Motors
(1) zugeführt ist, wobei der Membranvergaser (8) einen
von einer Regelmembran (28) begrenzten Regelraum (22)
aufweist, dem über ein von der Regelmembran (28) ge
steuertes Zulaufventil (23) Kraftstoff zufließt, und
mit einem auf der Trockenseite der Regelmembran (28)
ausgebildeten Kompensationsraum (29),
dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsraum (28)
über einen Strömungspfad (40) mit einer abhängig von
der Motordrehzahl pulsierenden Druckquelle (39)
verbunden ist, daß im Strömungspfad (40) von der
Druckquelle (39) zum Kompensationsraum (29) ein
Rückschlagventil (41) angeordnet ist, und daß der
Kompensationsraum (29) über eine in einem weiteren
Strömungspfad (43) angeordnete Drossel (44) zu ent
lasten ist.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselquerschnitt (45)
kleiner, vorzugsweise um ein Mehrfaches kleiner ist als
der Strömungsquerschnitt (46) des Rückschlagventils
(41).
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (41)
und die Drossel (44) einen Mitteldruckregler bilden.
4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Membranvergaser (8) ein
Luftfilter (30) vorgeschaltet ist und die Strömungs
pfade (40, 43) mit dem Reinraum (39) des Luftfilters
(30) verbunden sind.
5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (44) eine Fest
drossel ist.
6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (41)
ein Entenschnabelventil (42) ist.
7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (41)
in Strömungsrichtung zum Kompensationsraum (29) öffnend
angeordnet ist.
8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Strömungspfad
(43) mit der Drossel (44) als Bypass zum Rückschlag
ventil (41) geschaltet ist.
9. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Verbrennungsmotor (1)
über den Membranvergaser (8) ein kraftstoffhaltiges Ge
misch und über einen Luftkanal (20) im wesentlichen
reine Verbrennungsluft zugeführt ist.
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |