DE102005014575A1

DE102005014575A1 - Verbrennungsmotor mit Spülvorlage

Info

Publication number: DE102005014575A1
Application number: DE102005014575A
Authority: DE
Inventors: Heiko Dr.-Ing. Roßkamp; Jörg Dr.-Ing. Schlossarczyk; Konrad Dipl.-Ing. Knaus; Gerhard Dipl.-Ing. Osburg
Original assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Current assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-05
Also published as: CN1840875A; US20060219195A1; US7210432B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor für ein tragbares, handgeführtes Arbeitsgerät wie eine Motorkettensäge, einen Trennschleifer, ein Freischneidegerät oder dgl. Im Zylinder (2) des Motors (1) ist ein Brennraum (3) ausgebildet, 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. Der Zweitaktmotor weist einen Abgase aus dem Brennraum (3) abführenden Auslaß (10) und einen Einlaß (11) auf, über den dem Kurbelgehäuse (4) Kraftstoff/Luft-Gemisch zugeführt ist. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch tritt über zumindest einen Überströmkanal (12, 15) aus dem Kurbelgehäuse (4) in den Brennraum (3) über, wobei der Überströmkanal (12, 15) an einem Ende mit einem Einlaßfenster (13, 16) in den Brennraum (3) mündet und an dem anderen Ende mit dem Kurbelgehäuse (4) verbunden ist. Ein im wesentlichen kraftstofffreies Gas zuführender Bypasskanal (20) mündet über ein Membranventil (19) in den Überströmkanal (15). Die Summe aller Flächen der Einlaßfenster (13, 16) beträgt, bezogen auf den Hubraum des Motors (1), etwa 1,4 mm·2·/cm·3· bis etwa 5,90 mm·2·/cm·3·, wodurch gute Abgaswerte bei geringem Kraftstoffverbrauch zu erzielen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Zweitaktmotor für ein tragbares, handgeführtes Arbeitsgerät wie z. B. eine Motorkettensäge, einen Trennschleifer, ein Freischneidegerät oder dgl., nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 199 00 445 A1 ist ein Zweitaktmotor bekannt, bei dem ein Kraftstoff/Luft-Gemisch ins Kurbelgehäuse angesaugt und bei abwärtsfahrendem Kolben über Überströmkanäle in den Brennraum gefördert wird. Zur Senkung der Spülverluste werden den auslaßnah angeordneten Überströmkanälen über Bypaßkanäle und eine gesteuerte Öffnung reine Luft zugeführt. Beim Öffnen der Überströmkanäle strömt daher zunächst die im Bypaßkanal vorgelagerte reine Luft in den Brennraum, wodurch das nachströmende Kraftstoff/Luft-Gemisch gegenüber dem Auslaß abgeschirmt werden soll. Ein wesentlicher Anteil der konstruktionsbedingt unvermeidlichen Spülverluste wird von der eingeströmten Luft gebildet, so daß der Anteil des Kraftstoff/Luft-Gemisches an den Spülverlusten reduziert ist.

In der Praxis wurde festgestellt, daß insbesondere bei Zweitakt-Hochleistungsmotoren mit einem Hubraum von über 50 cm³ bis z. B. 200 cm³ und einer Leistung von mehr als 45 kW/l Vh (Kilowatt je Liter Hubvolumen) der Kraftstoffverbrauch und auch das Abgasverhalten nicht zufriedenstellend ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweitaktmotor der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß er ein gutes Abgasverhalten bei geringem Kraftstoffverbrauch aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Zweitaktmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Überraschend hat sich gezeigt, daß das Verhältnis der Fläche aller Einlaßfenster der angeordneten Überströmkanäle zum Hubraum des Verbrennungsmotors, insbesondere bei Hochleistungsmotoren in einem Hubraumbereich von etwa 50cm³ bis etwa 200 cm³, einen entscheidenden Einfluß auf den Kraftstoffverbrauch und auch die Abgaswerte hat. Werden bei Zweitaktmotoren Verhältnisse gewählt, bei denen die Summe der Flächen aller Einlaßfenster der Überströmkanäle in mm² etwa das 1,4-fache bis etwa zum 5,90-fachen des Hubraums des Motors in cm³ beträgt, ergeben sich ohne wesentliche Leistungseinbußen überraschend gute Werte sowohl in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch als auch in Bezug auf die Abgasqualität. Signifikant beste Werte werden erzielt, wenn das Verhältnis im Bereich von 1,9 mm²/cm³ bis 3,6 mm²/cm³ gewählt ist.

Vorteilhaft werden die gesteuerten Öffnungen, über die Luft aus den Bypaßkanälen in die Überströmkanäle übertritt, durch Membranventile gebildet. Dabei ergeben sich gute Abgaswerte und geringe Verbrauchswerte des Motors, wenn die Summe der Anschlußflächen der Membranventile bezogen auf das Hubvolumen des Motors etwa 3,91 mm²/cm³ bis etwa 5,60 mm²/cm³, insbesondere etwa 3,91 mm²/cm³ bis etwa 5,00 mm²/cm³ beträgt. Die Größe der Anschlußfläche des Membranventils bestimmt abhängig von den herrschenden Druckverhältnissen die Luftmenge, die in den Überströmkanal strömt. Dadurch wird das Verhältnis der Menge an Spülvorlagenluft zur Menge des in den Brennraum einströmenden Kraftstoff/Luft-Gemisches bestimmt. Bei einer Anschlußfläche des Membranventils von 3,91 mm²/cm³ ergeben sich geringe Anteile des Kraftstoff/Luft-Gemisches an den Spülverlusten und damit auch gute Abgaswerte.

Es hat sich gezeigt, daß auch die Summe der in Zylinderumfangsrichtung gemessenen Breiten der Einlaßfenster der Überströmkanäle einen entscheidenden Einfluß auf Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte des Verbrennungsmotors hat. Es ist vorgesehen, daß die Summe der in Zylinderumfangsrichtung gemessenen Bereiten der Einlaßfenster der Überströmkanäle das 0,44-fache bis 2,2-fache des Durchmessers des Zylinders beträgt. Besonders gute Abgaswerte lassen sich erreichen, wenn die Summe der in Zylinderumfangsrichtung gemessenen Breiten der Einlaßfenster der Überströmkanäle das 1,3-fache bis 1,8-fache des Durchmessers des Zylinders beträgt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch einen Zweitaktmotor mit vier Überströmkanälen,
2 einen Schnitt längs der Linie II-II in 1.
Der in 1 dargestellte Verbrennungsmotor 1 ist ein Zweitaktmotor und vorzugsweise als Hochleistungsmotor mit einem Hubraum von etwa 50 cm³ bis etwa 200 cm³ sowie insbesondere einer Leistung von über 45 kW/l Vh (Kilowatt je Liter Hubvolumen) ausgeführt. Im Zylinder 2 ist ein Brennraum 3 ausgebildet, der von einem auf- und abgehenden Kolben 5 begrenzt ist. Der Kolben 5 treibt über ein Pleuel 6 einen Kurbelwelle 7 an, die im Kurbelgehäuse 4 drehbar gelagert ist. Über den Einlaß 11 strömt Kraftstoff/Luft-Gemisch ins Kurbelgehäuse 4. Das Kurbelgehäuse 4 ist über vier Überströmkanäle 12, 15 mit dem Brennraum 3 verbunden.
In dem in 2 dargestellten Schnitt entlang der Linie II-II in 1 sind die beiden Überströmkanäle 12 mit den Einlaßfenstern 13 und die beiden Überströmkanäle 15 mit den Einlaßfenstern 16 dargestellt. In die Überströmkanäle 15 münden Bypaßkanäle 20, die im wesentlichen kraftstofffreie Luft, insbesondere reine Luft führen. Die Bypaßkanäle 20 sind über als Membranventile 19 ausgebildete gesteuerte Öffnungen mit den Überströmkanälen 15 verbunden. Die Bypaßkanäle 20 sind im Ausführungsbeispiel mit den auslaßnahen Überströmkanälen 15 verbunden; es kann vorteilhaft sein, die Bypaßkanäle 20 sowohl mit den auslaßnahen Überströmkanälen 15 als auch mit den auslaßfernen Überströmkanäle 12 zu verbinden, um in alle Überströmkanäle 12, 15 Luft vorzulagern. Die Bypaßkanäle 20 können mit den Überströmkanälen 12, 15 auch über eine im Kolben 5 ausgebildete Tasche verbunden sein, so daß die Verbindung schlitzgesteuert ist.
Beim Aufwärtshub des Kolbens 5 strömt Kraftstoff/Luft-Gemisch über den Einlaß 11 ins Kurbelgehäuse 4 und wird dort beim folgenden Abwärtshub verdichtet. Während des Aufwärtshubs des Kolbens 5 strömt aus den Bypaßkanälen 20 reine Luft in die Überströmkanäle 15, da die Überströmkanäle an ihrem kurbelseitigen Ende offen sind und der beim Aufwärtshub des Kolbens 5 im Kurbelgehäuse 4 entstehende Unterdruck zeitgleich in allen Überströmkanälen 12 und 15 wirkt. Aufgrund des Unterdrucks im Überströmkanal 15 öffnet das die Verbindungsöffnung vom Bypaßkanal 20 zum Überströmkanal 15 steuernde Membranventil 19, so daß aus dem Bypaßkanal Luft in den Überströmkanal 15 einströmen kann und in Richtung zum Kurbelgehäuse 4 strömt. Wechselt der Kolben 5 nach Durchfahren des oberen Totpunktes zum Abwärtshub, wechselt auch der Druck im Kurbelgehäuse 4 zum Überdruck. Die Membranventile 19 schließen und sperren den Überströmkanal 15 gegen den Bypaßkanal 20 ab. Werden die Einlaßfenster 13 und 16 der Überströmkanäle 12, 15 vom abwärtsgehenden Kolben 5 geöffnet, strömt die im Überströmkanal 15 vorhandene Luft entlang der Pfeile 18 in den Brennraum 3 und verdrängt die Abgase der Verbrennung des vorherigen Taktes in den Auslaß 10. Aus den Einlaßfenstern 13 der Überströmkanäle 12 strömt entlang der Pfeile 17 ausschließlich Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Kurbelgehäuse 4 in den Brennraum 3. Ist die im Überströmkanal 15 dem Kraftstoff/Luft-Gemisch vorgelagerte Luft vollständig in den Brennraum 3 eingeströmt, tritt auch aus dem Einlaßfenster 16 des Überströmkanals 15 weiteres Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Brennraum 3 ein.
Die Einlaßfenster 13, 16 der Überströmkanäle 12, 15 sind so ausgelegt, daß die Summe ihrer in der Zylinderwand liegenden Flächen bezogen auf den Hubraum des Zweitaktmotors 1 etwa 1,4 mm²/cm³ bis etwa 5,90 mm²/cm³ beträgt. Gute Abgaswerte werden insbesondere dann erzielt, wenn das Verhältnis der Summe der Flächen der Einlaßfenster 13, 16 bezogen auf den Hubraum des Verbrennungsmotors 1 etwa 1,9 mm²/cm³ bis 3,6 mm²/cm³ beträgt. Werden alternativ oder insbesondere zusätzlich zur Auslegung der Flächen der Eintrittsfenster 13, 16 auch die Anschlußflächen 21 der Membranventile 19 so groß gewählt, daß die Summe aller Anschlußflächen 21 der Membranventile 19 bezogen auf den Hubraum des Motors 1 3,91 mm²/cm³ bis 5,60 mm²/cm³, insbesondere 3,91 mm²/cm² bis 5,0 mm²/cm³ beträgt, werden weitere Verbesserungen in der Abgasqualität erzielt. Die Maße werden so gewählt, daß die Gesamtfläche der Einlaßfenster 13, 16 und der Anschlußflächen 21 in mm² bezogen auf den Hubraum des Zweitaktmotors 1 in cm³ etwa 6,56 mm²/cm³ bis 11,50 mm²/cm³ beträgt.
Im Ausführungsbeispiel ist ein Zweitaktmotor mit insgesamt vier Überströmkanälen 12, 15 gezeigt, wobei jeweils zwei Überströmkanäle 12 und 15 auf einer Seite einer Längsmittelebene 50 angeordnet sind. Die Längsmittelebene 50 teilt den Auslaß 10 in Längsrichtung symmetrisch, wie in 2 gezeigt. Bei einem Zweitaktmotor, der lediglich einen Überströmkanal auf einer Seite der längsmittelebene 50 aufweist, also insgesamt nur zwei Überströmkanäle besitzt, sind die Einlaßfenster entsprechend größer ausgeführt, so daß auch bei einer derartigen konstruktiven Gestaltung die Summe der Flächen der beiden Einlaßfenster des Zweikanalmotors bezogen auf den Hubraum des Motors etwa 1,4 mm²/cm³ bis etwa 5,90 mm²/cm³ beträgt.
Wie in 1 gezeigt ist, besitzen die Einlaßfenster 16 eine in Zylinderumfangsrichtung gemessene Breite a und die Einlaßfenster 13 eine Breite b. Die Summe der Breiten a, b der Einlaßfenster 13, 16, also beim gezeigten Ausführungsbeispiel zweimal die Breite a und zweimal die Breite b, beträgt vorzugsweise das 0,44-fache bis 2,2-fache des in 2 ge zeigten Durchmessers d des Zylinders 2. Die Summen der Breiten a, b beträgt vorzugsweise das 1,3-fache bis 1,8-fache des Durchmessers d des Zylinders 2. Bei zwei einander gegenüberliegend angeordneten Überströmkanälen beträgt die Summe der Breiten der Einlaßfenster, also entsprechend zweimal die Breite eines Einlaßfensters, ebenso vorzugsweise das 0,44-fache bis 2,2-fache des Durchmessers d. Bei Anordnung von zwei anstatt von vier Überströmkanälen sind die Einlaßfenster demnach entsprechend breiter auszuführen.

Claims

Verbrennungsmotor, insbesondere Zweitaktmotor für ein tragbares, handgeführtes Arbeitsgerät, z.B. eine Motorkettensäge, ein Trennschleifer, ein Freischneidegerät oder dgl., mit einem in einem Zylinder (2) ausgebildeten Brennraum (3), der von einem auf- und abgehenden Kolben (5) begrenzt ist, und der Kolben (5) über ein Pleuel (6) eine in einem Kurbelgehäuse (4) drehbar gelagerte Kurbelwelle (7) antreibt, mit einem Abgase aus dem Brennraum (3) abführenden Auslaß (10) sowie einem Einlaß (11), der dem Kurbelgehäuse (4) ein Kraftstoff/Luft-Gemisch zuführt, das zumindest über einen Überströmkanal (12, 15) aus dem Kurbelgehäuse (4) in den Brennraum (3) übertritt, wobei der Überströmkanal (12, 15) an einem Ende mit einem Überströmfenster (13, 16) in den Brennraum (3) mündet und an dem anderen Ende mit dem Kurbelgehäuse (4) verbunden ist, und mit einem im wesentlichen kraftstofffreies Gas zuführenden Bypaßkanal (20), der über eine gesteuerte Öffnung in den Überströmkanal (15) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Flächen der Einlaßfenster (13, 16) der Überströmkanäle (12, 15) in mm² bezogen auf den Hubraum des Motors (1) in cm³ etwa 1,4 mm²/cm³ bis 5,90 mm²/cm³ beträgt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Flächen der Einlaßfenster (13, 16) bezogen auf den Hubraum des Motors (1) etwa 1,9 mm²/cm³ bis 3,6 mm²/cm³ beträgt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte Öffnung durch ein Membranventil (19) gebildet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Anschlußflächen (21) der Membranventile (19) bezogen auf dem Hubraum des Motors (1) etwa 3,91 mm²/cm³ bis 5,60 mm²/cm³, insbesondere 3,91 mm²/cm³ bis 5,00 mm²/cm³ beträgt.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (1) einen Hubraum von etwa 50 cm³ bis etwa 200 cm³ aufweist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (1) eine Leistung von über 45 kW/l Vh aufweist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der in Zylinderumfangsrichtung gemessenen Breiten (a, b) der Einlaßfenster (13, 16) der Überströmkanäle (12, 15) das 0,44-fache bis 2,2-fache des Durchmessers (d) des Zylinders (2) beträgt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der in Zylinderum fangsrichtung gemessenen Breiten (a, b) der Einlaßfenster (13, 16) der Überströmkanäle (12, 15) das 1,3-fache bis 1,8-fache des Durchmessers (d) des Zylinders (2) beträgt.