DE10223071A1

DE10223071A1 - Schlitzgesteuerter Zweitaktmotor mit Spülvorlage

Info

Publication number: DE10223071A1
Application number: DE10223071A
Authority: DE
Inventors: Heiko Roskamp
Original assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Current assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2003-12-04
Also published as: US6880503B2; FR2840021B1; US20030217712A1; FR2840021A1

Abstract

Ein Zweitaktmotor, insbesondere für ein tragbares, handgeführtes Arbeitsgerät, weist einen in einem Zylinder (2) ausgebildeten Brennraum (3) auf, der durch einen auf- und abgehenden Kolben (5) begrenzt ist. Der Kolben treibt über ein Pleuel (6) eine in einem Kurbelgehäuse (4) gelagerte Kurbelwelle (7) an. Der Zweitaktmotor (1) weist einen Einlaß (11) und einen Auslaß (10) auf. In vorgegebenen Kolbenstellungen ist das Kurbelgehäuse (4) mit dem Brennraum (3) über mindestens einen Überströmkanal (12, 15) fluidisch verbunden. Der Zweitaktmotor (1) weist einen im wesentlichen kraftstofffreie Luft führenden Luftkanal (17) auf, der schlitzgesteuert mit mindestens einem Überströmkanal (12, 15) fluidisch verbunden ist. Zur Erzielung geringer Abgaswerte ist vorgesehen, daß die während eines Kolbenhubs vom Luftkanal (17) in den Überströmkanal (12, 15) strömende Luftmenge bei Nenndrehzahl (N) ein Volumen aufweist, das mindestens 75% des Volumens des Überströmkanals (12, 15) zwischen dem Einlaßfenster (13, 16), mit dem der Überströmkanal (12, 15) in den Brennraum (3) mündet, und dem Mündungsfenster (22, 23), mit dem der Überströmkanal (12, 15) ins Kurbelgehäuse (4) mündet, entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der WO 99/18338 ist ein Zweitaktmotor bekannt, dem über einen Luftkanal Verbrennungsluft zugeführt wird. Der Luftkanal mündet über ein Membranventil in einen Überströmkanal. Um geringe Abgaswerte zu erreichen, ist das Verhältnis der vorgelagerten Luft zu dem dem Kurbelgehäuse zugefährten Kraftstoff/Luft-Gemisch zu 0,7 bis 1,4 gewählt. Das Membranventil öffnet und schließt aufgrund unterschiedlicher Druckniveaus in Luftkanal und Kurbelgehäuse. Die den Überströmkanälen zugeführte Luftmenge ist somit von den herrschenden Druckverhältnissen abhängig. Da diese sich über der Drehzahl ändern, wird einem derartigen Verbrennungsmotor bei niedrigen Drehzahlen zuviel Luft über die Überströmkanäle zugeführt. Das dem Brennraum zugeführte Kraftstoff/Luft-Gemisch magert daher ab, wodurch sich ein schlechtes Betriebsverhalten im niedrigen Drehbereich ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweitaktmotor der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der bei einem vorteilhaften Betriebsverhalten in allen Drehzahlbereichen gute Abgaswerte aufweist.

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

Durch die Schlitzsteuerung der fluidischen Verbindung von Luftkanal und Überströmkanal werden die Kanäle unabhängig von den Druckverhältnissen nur in Abhängigkeit der Steuerzeit miteinander verbunden. Für eine günstige Verbrennung ist vorgesehen, daß die in den Überströmkanal strömende Luftmenge bei Nenndrehzahl ein Volumen aufweist, das mindestens 75% des Volumens des Überströmkanals zwischen Einlaßfenster und Mündungsfenster entspricht. Diese Menge vorgelagerter Luft führt zu einer guten Trennung von Abgasen und nachströmendem Kraftstoff/Luft-Gemisch. Gleichzeitig wird eine zu starke Abmagerung des in den Brennraum einströmenden Kraftstoff/Luft-Gemisches vermieden.

Zweckmäßig beträgt der Anteil des dem Überströmkanal während eines Kolbenhubs über den Luftkanal zugeführten Massenstroms 0% bis 80% des dem Zweitaktmotors während des Kolbenhubs zugeführten Massenstroms. Insbesondere beträgt der Anteil weniger als 50%. Vorteilhaft ist der Anteil des dem Überströmkanal während eines Kolbenhubs über den Luftkanal zugeführten Massenstroms am gesamten, dem Zweitaktmotor während des Kolbenhubs zugeführten Massenstroms über den gesamten Betriebsbereich des Zweitaktmotors etwa konstant. Da der Winkelquerschnitt bei Schlitzsteuerung der Verbindung von Überströmkanal und Luftkanal über der Drehzahl nur geringfügig und etwa konstant abnimmt, läßt sich dies durch die Schlitzsteuerung vorteilhaft realisieren. Der Winkelquerschnitt bezeichnet dabei das Integral des Verlaufs des Flächeninhalts des engsten Querschnitts der Verbindung von Luftkanal und Überströmkanal über dem Kurbelwellenwinkel, wobei über eine Kurbelwellenumdrehung integriert wird.

Die fluidische Verbindung von Luftkanal und Überströmkanal läßt insbesondere eine Strömung von Luftkanal in den überströmkanal und eine Strömung in Gegenrichtung zu. Zweckmäßig sind Luftkanal und Überströmkanal in vorgegebenen Kolbenstellungen über ein Kolbenfenster fluidisch verbunden. Über ein Kolbenfenster läßt sich die Schlitzsteuerung einfach realisieren. Vorteilhaft sind in vorgegebenen Kolbenstellungen zwei symmetrisch zur Mittelebene angeordnete Überströmkanäle mit einem Luftkanal verbunden. Insbesondere sind vier Überströmkanäle symmetrisch zur Mittelebene angeordnet. Zweckmäßig sind in vorgegebenen Kolbenstellungen vier Überströmkanäle mit einem Luftkanal verbunden. Dadurch läßt sich eine gute Trennung von Abgas und nachströmenden Kraftstoff/Luft-Gemisch realisieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen Zweitaktmotor,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 ein Diagramm, das den Anteil des dem Überströmkanal zugeführten Massenstroms über der Drehzahl zeigt.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Zweitaktmotor 1 weist einen Zylinder 2 auf, in dem ein Brennraum 3 ausgebildet ist. Der Brennraum 3 ist von einem auf- und abgehenden Kolben 5 begrenzt, der sich zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegt. Der Kolben 5 treibt über ein Pleuel 6 eine im Kurbelgehäuse 4 drehbar gelagerte Kurbelwelle 7 an. Über den Ansaugkanal 9 wird dem Kurbelgehäuse 4 im Vergaser 8 aufbereitetes Kraftstoff/Luft-Gemisch zugeführt, das über den Einlaß 11 ins Kurbelgehäuse 4 gelangt. Kurbelgehäuse 4 und Brennraum 3 sind in vorgegebenen Kolbenstellungen wie beispielsweise bei der in Fig. 1 dargestellten Kolbenstellung über vier Überströmkanäle 12, 15 fluidisch miteinander verbunden, von denen in Fig. 1 zwei dargestellt sind. Der auslaßnahe überströmkanal 15 mündet mit einem Einlaßfenster 16 in den Brennraum 3 und mit einem Mündungsfenster 23 ins Kurbelgehäuse 4. Der auslaßferne Überströmkanal 12 mündet mit einem Auslaßfenster 13 in den Brennraum 3 und mit einem Mündungsfenster 22 ins Kurbelgehäuse 4. Im Bereich der Einlaßfenster 13, 16 mündet ein Luftkanal 17 mit einem in Fig. 2 dargestellten Luftkanalfenster 18 in den Zylinder 2. Im Kolbenhemd 30 des Kolbens 5 ist ein Kolbenfenster 21 ausgebildet, das, wie im Schnitt in Fig. 2 angedeutet, den Luftkanal 17 in vorgegebenen Kolbenstellungen mit den Einlaßfenstern 13, 16 der Überströmkanäle 12, 15 fluidisch verbindet. Das Luftkanalfenster 18 ist zweckmäßig gegenüber den Einlaßfenstern 13, 16 zum Kurbelgehäuse 4 hin versetzt angeordnet.
Beim Aufwärtshub des Kolbens 5 in Richtung auf den Brennraum 3 wird über den Einlaß 11 Kraftstoff/Luft-Gemisch ins Kurbelgehäuse 4 angesaugt. Beim folgenden Abwärtshub wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Kurbelgehäuse 4 verdichtet. Während der Luftkanal 17 über das Kolbenfenster 21 mit den Überströmkanälen 12 und 15 fluidisch verbunden ist, strömt über den Luftkanal und das Kolbenfenster 21 weitgehend kraftstofffreie Luft in die Überströmkanäle 12 und 15 ein. Die weitgehend kraftstofffreie Luft wird dem Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Kurbelgehäuse 4 vorgelagert. Beim folgenden Abwärtshub des Kolbens 5 strömt die in den Überströmkanälen 12 und 15 vorgelagerte Luft und daran anschließend das Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Kurbelgehäuse 4 in den Brennraum 3 ein und verdrängt die Abgase aus dem Brennraum 3 durch den Auslaß 10, der dem Einlaß 11 insbesondere etwa gegenüberliegt. Beim folgenden Aufwärtshub des Kolbens 5 wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum 3 verdichtet und im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens 5 von der Zündkerze 14 gezündet. Die Abgase werden im Abwärtshub von der einströmenden Luft und dem Kraftstoff/Luft-Gemisch zum Auslaß 10 hin verdrängt.
Wie im Schnitt in Fig. 2 dargestellt, sind symmetrisch zur Mittelebene 20, die Einlaß 10 und Auslaß 11 etwa mittig teilt und die Längsmittelachse 19 des Zylinders 2 umfaßt, zwei auslaßferne Überströmkanäle 12 und zwei auslaßnahe Überströmkanäle 15 angeordnet. Die Überströmkanäle 12, 15 sind in einem Bereich ihrer Längserstreckung parallel zur Längemittelachse 19 des Zylinders 2 durch eine Wand 24 bzw. 25 vom Zylinder 2 getrennt. Die Wände 24, 25 erstrecken sich zwischen den Einlaßfenstern 13, 16 und den Mündungsfenstern 22, 23. In vorgegebenen Kolbenstellungen sind die Einlaßfenster 13 und 16 der Überströmkanäle 12 und 15 über die in Fig. 2 gestrichelt angedeuteten Kolbenfenster 21 des Kolbens 5 mit dem Luftkanal 17 fluidisch verbunden, wobei der Luftkanal 17 in zwei symmetrisch zur Mittelebene 20 angeordnete Äste aufgeteilt ist. Der Luftkanal 17 mündet dabei jeweils über ein Luftkanalfenster 18 in den Zylinder 2.
In Fig. 3 ist der Anteil x des den Überströmkanälen 12, 15 während eines Kolbenhubs über den Luftkanal 17 zugeführten Massenstroms über der Motordrehzahl n dargestellt. Der Anteil x ist in Prozent angegeben und die Drehzahl n in Umdrehungen pro Minute. Die Linien 27 und 28 bezeichnen Grenzkurven des Verlaufs des Anteils x bei der Verbindung von Luftkanal und Überströmkanälen über ein Membranventil. Bei Verwendung eines Membranventils liegt der Anteil x über der Drehzahl n üblicherweise im schraffiert dargestellten Bereich 29 zwischen den Grenzkurven 27 und 28. Wie in Fig. 3 dargestellt, nimmt der Anteil x bei steigender Drehzahl ab. Bei der Nenndrehzahl N bei etwa 9000 Umdrehungen/Minute beträgt der Anteil x etwa zwischen 40% und 50%. Damit ist ein günstiges Verhältnis von der vorgelagerten Luftmenge zu dem Kurbelgehäuse zugeführten Kraftstoff/Luft-Gemisch erreicht. Zu geringeren Drehzahlen hin nimmt der Anteil x jedoch zu. Dadurch ergibt sich bei geringeren Drehzahlen eine starke Abmagerung des Gemisches. Die Linie 26 stellt den Verlauf des Anteils x über der Drehzahl bei Schlitzsteuerung der Verbindung von Luftkanal 17 und Überströmkanälen 12, 15 dar. Der Anteil x ist über dem gesamten Betriebsbereich des Zweitaktmotors 1 etwa konstant. Im dargestellten Beispiel beträgt der Anteil x zwischen 40% und 45%. Hierdurch ergeben sich gute Abgaswerte bei hohen Drehzahlen. Bei niedrigen Drehzahlen wird eine zu starke Abmagerung des Gemisches vermieden.
Zweckmäßig weist die während eines Kolbenhubs 17 in den Überströmkanal 12, 15 strömende Luftmenge bei Nenndrehzahl N ein Volumen auf, das mindestens 75% des Volumens des Überströmkanals 12, 15 zwischen Einlaßfenster 13, 16 und Mündungsfenster 22, 23 entspricht. Bei geringerem vorgelagerten Volumen kann eine ausreichende Trennung von Abgasen und nachströmendem Kraftstoff/Luft-Gemisch nicht gewährleistet werden. Zweckmäßig beträgt der Anteil x des dem Überströmkanal 12, 15 während eines Kolbenhubs über den Luftkanal 17 zugeführten Massenstroms 0% bis 80% des dem Zweitaktmotor 1 während des Kolbenhubs zugeführten Massenstroms. Günstige Abgaswerte und gute Rundlaufeigenschaften des Motors im gesamten Drehzahlbereich ergeben sich insbesondere bei einem Anteil x von weniger als 50%.
Durch die Schlitzsteuerung der Verbindung von Luftkanal und den Überströmkanälen ist der Winkelquerschnitt unabhängig von Resonanzeinflüssen im Ansaugkanal. Der Winkelquerschnitt fällt dadurch über der Drehzahl nur geringfügig und konstant ab. Insbesondere fällt der Anteil x über der Drehzahl bei Schlitzsteuerung nicht ab, sondern ist weitgehend konstant. Im Gegensatz zum Membranventil kann das Kolbenfenster grundsätzlich in beiden Richtungen durchströmt werden, so daß Druckunterschiede während der Verbindung von Luftkanal und Überströmkanal in beiden Richtungen ausgeglichen werden können.
Es kann zweckmäßig sein, daß der Luftkanal nur in die beiden auslaßnahen Überströmkanäle einmündet. Auch die Verbindung des Luftkanals mit den beiden auslaßfernen Überströmkanälen kann zweckmäßig sein. Insbesondere ist der Luftkanal über die Kolbenfenster mit allen vier symmetrisch angeordneten Überströmkanälen verbunden. Die Verbindung von Luftkanal und Überströmkanälen muß nicht über ein Kolbenfenster erfolgen, sondern kann beispielsweise auch von der Kurbelwange schlitzgesteuert sein.

Claims

1. Zweitaktmotor, insbesondere für ein tragbares, handgeführtes Arbeitsgerät, wie eine Motorkettensäge, einen Trennschleifer oder dgl., mit einem in einem Zylinder (2) ausgebildeten Brennraum (3), der durch einen auf- und abgehenden Kolben (5) begrenzt ist, wobei der Kolben (5) über ein Pleuel (6) eine in einem Kurbelgehäuse (4) drehbar gelagerte Kurbelwelle (7) antreibt, mit einem Einlaß (10) zur Zufuhr von Kraftstoff/Luft- Gemisch ins Kurbelgehäuse (4) und einem Auslaß (11) zur Abfuhr von Abgasen aus dem Brennraum (3), mit mindestens einem Überströmkanal (12, 15), wobei der Überströmkanal (12, 15) in vorgegebenen Kolbenstellungen das Kurbelgehäuse (4) mit dem Brennraum (3) fluidisch verbindet und mit einem Einlaßfenster (13, 16) in den Brennraum (3) und mit einem Mündungsfenster (22, 23) in das Kurbelgehäuse (4) mündet, wobei der Überströmkanal (12, 15) in einem Bereich seiner Längserstreckung zum Zylinder (2) hin geschlossen ausgebildet ist, und mit einem im wesentlichen kraftstofffreie Luft führenden Luftkanal (17), dadurch gekennzeichnet, daß Luftkanal (17) schlitzgesteuert mit mindestens einem Überströmkanal (12, 15) fluidisch verbunden ist und die während eines Kolbenhubs vom Luftkanal (17) in den Überströmkanal (12, 15) strömende Luftmenge bei Nenndrehzahl (N) ein Volumen aufweist, das mindestens 75% des Volumens des Überströmkanals (12, 15) zwischen Einlaßfenster (13, 16) und Mündungsfenster (22, 23) entspricht.

2. Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil (x) des dem Überströmkanal während eines Kolbenhubs über den Luftkanal (17) zugeführten Massenstroms 0% bis 80% des dem Zweitaktmotor (1) während des Kolbenhubs zugeführten Massenstroms beträgt.

3. Zweitaktmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil (x) des dem Überströmkanal (12, 15) während eines Kolbenhubs über den Luftkanal (17) zugeführten Massenstroms weniger als 50% des dem Zweitaktmotor (1) während des Kolbenhubs zugeführten Massenstroms beträgt.

4. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil (x) des dem Überströmkanal (12, 15) während eines Kolbenhubs über den Luftkanal (17) zugeführten Massenstroms am gesamten, dem Zweitaktmotor (1) während des Kolbenhubs zugeführten Massenstroms über den gesamten Betriebsbereich des Zweitaktmotors (1) etwa konstant ist.

5. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die fluidische Verbindung von Luftkanal (17) und Überströmkanal (12, 15) eine Strömung vom Luftkanal (17) in den Überströmkanal (12, 15) und eine Strömung in Gegenrichtung zuläßt.

6. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Luftkanal (17) und überströmkanal (12, 15) in vorgegebenen Kolbenstellungen über ein Kolbenfenster (21) fluidisch verbunden sind.

7. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den vorgegebenen Kolbenstellungen zwei symmetrisch zu einer Einlaß (10) und Auslaß (11) etwa mittig teilenden Mittelebene (20) angeordnete Überströmkanäle (12, 15) mit einem Luftkanal (17) verbunden sind.

8. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vier Überströmkanäle (12, 15) symmetrisch zu einer Einlaß (10) und Auslaß (11) etwa mittig teilenden Mittelebene (20) angeordnet sind.

9. Zweitaktmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in vorgegebenen Kolbenstellungen vier Überströmkanäle (12, 15) mit einem Luftkanal (17) verbunden sind.