DE10104445A1 - Verbrennungsmotor mit Membranvergaser und einstellbarem CO - Google Patents

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 P_r 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 P_r 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 P_M 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 P_M 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 P_M im Reinraum 39. Der höhere Druckmittelwert P'_M im Kompensationsraum 29 führt bereits bei geringen Unter­ drücken P_r 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.