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Die
Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor, insbesondere für ein handgeführtes Arbeitsgerät wie eine
Motorsäge,
einen Trennschleifer oder dgl. der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Gattung.
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Die
bei Zweitaktmotoren entstehenden Abgase sollen reduziert werden.
Gleichzeitig soll die Baugröße der Zweitaktmotoren
abnehmen. Bei Zweitaktmotoren entweicht das Abgas aus dem Auslaß, während bereits
frisches Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Brennraum nachströmt. Hierbei
muß verhindert werden,
daß frisches
Kraftstoff/Luft-Gemisch den Brennraum durch den Auslaß verläßt, da hierdurch die
HC-Werte im Abgas ansteigen. Aus diesem Grund sollen die Überströmkanäle, durch
die das frische Gemisch überströmt, möglichst
spät nach
dem Öffnen
des Auslasses aus dem Brennraum öffnen. Allerdings
wird durch Versetzen der Überströmkanäle in Richtung
Kurbelgehäuse
die Baugröße des Motors
vergrößert. Die Überströmkanäle müssen außerdem ausreichend
groß dimensioniert
und ausreichend lang geöffnet
sein, um die Zufuhr einer ausreichenden Frischgemischmenge zum Brennraum
sicherzustellen. Aus diesen Gründen
ist die konstruktive Anordnung der Überströmkanäle am Zylinder stark eingeschränkt.
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Aus
der US 2002/0134326 A1 ist es bekannt, Abgas in einem Überströmkanal vorzulagern.
Hierzu ist vorgesehen, daß der Überströmkanal zum
Kurbelgehäuse
hin geschlossen ist, während
vom brennraumseitigen Ende Abgas in den Überströmkanal einströmen soll.
Durch das hierdurch bedingte erhöhte
Druckniveau im Überströmkanal soll
das Einströmen
von Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Brennraum verzögert werden.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine
ausreichende Verzögerung
mit dieser Anordnung nicht erreicht werden kann, da sich der Druck im
Brennraum nicht ausreichend in die Überströmkanäle ausbreitet und keine Abgasströmung in
die Überströmkanäle stattfindet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweitaktmotor der gattungsgemäßen Art
zu schaffen, bei dem gute Abgaswerte bei geringer Baugröße erreicht
werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Zweitaktmotor mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen,
daß der Überströmkanal zum
Kurbelgehäuse
noch offen ist, während
der Überströmkanal zum
Brennraum hin öffnet. Es
hat sich überraschend
gezeigt, daß bei
noch geöffnetem Überströmkanal zum
Kurbelgehäuse
die Druckausbreitung aus dem Brennraum in den Überströmkanal wesentlich verbessert
ist. Hierdurch läßt sich
erreichen, daß das
Druckniveau im Überströmkanal dem
im Brennraum entspricht. Dadurch, daß kurz nach dem Öffnen des Überströmkanals
zum Brennraum der Überströmkanal zum
Kurbelgehäuse geschlossen
wird, ist sichergestellt, daß kein
Abgas vom Brennraum ins Kurbelgehäuse gelangen kann. Dadurch,
daß der
Druck im Überströmkanal größer als
der im Kurbelgehäuse
ist, strömt
bei zum Kurbelgehäuse öffnen dem Überströmkanal zunächst noch kein
Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Überströmkanal. Erst
wenn das Gemisch im Kurbelgehäuse
aufgrund der weiteren Abwärtsbewegung
des Kolbens in Richtung auf das Kurbelgehäuse etwa dem Druck im Überströmkanal entspricht,
erfolgt ein schlagartiges Ausströmen
des Gemischs aus dem Überströmkanal in
den Brennraum. Durch das verzögerte,
schlagartige Ausströmen
ist gleichzeitig das Spülverhalten
verbessert. Hierdurch lassen sich geringe Abgaswerte des Zweitaktmotors
bei geringer Baugröße erreichen.
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Die
gewünschte
Steuerung der Überströmkanäle kann
auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß der in Richtung der Zylinderlängsachse gemessene
Abstand zwischen der dem Brennraum zugewandten Oberkante des Überströmfensters
und der dem Kurbelgehäuse
zugewandten Unterkante der Überströmöffnung des Überströmkanals
größer ist
als die parallel zur Zylinderlängsachse
gemessene Höhe
des Kolbens im Bereich dieses Überströmkanals.
Da der Kolben nicht beide Öffnungen
des Überströmkanals
gleichzeitig vollständig
verschließen
kann, ist sichergestellt, daß die Überströmöffnung noch
geöffnet
ist, während
das Überströmfenster
bereits öffnet.
Eine gute Verzögerung
des Ausströmens
ergibt sich, wenn der Abstand zwischen der Oberkante des Überströmfensters
und der Unterkante der Überströmöffnung 2
mm bis 4 mm größer als die
Höhe des
Kolbens im Bereich des Überströmkanals
ist bzw. wenn der Abstand zwischen der Oberkante des Überströmfensters
und der Unterkante der Überströmöffnung einer
Umdrehung der Kurbelwelle um 5° bis
30°, insbesondere
um 15° bis
20° entspricht.
Um sicherzustellen, daß die Überströmöffnung kurz
nach dem Öffnen
des Überströmfensters bereits
schließt,
ist vorgesehen, daß der
in Richtung der Zylinderlängsachse
gemessene Abstand zwischen der dem Kurbelgehäuse zugewandten Unterkante
des Überströmfensters
und der dem Brennraum zugewandten Oberkante der Überströmöffnung des Überströmkanals kleiner ist als die
parallel zur Zylinderlängsachse
gemessene Höhe
des Kolbens im Bereich dieses Überströmkanals.
Die Überströmöffnung ist
somit bereits teilweise geschlossen, wenn das Überströmfenster beginnt zu öffnen.
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Es
ist vorgesehen, daß das Überströmfenster
etwa zeitgleich mit oder kurz nach dem Öffnen des Auslasses öffnet. Insbesondere
bei etwa gleichzeitigem Öffnen
von Überströmfenster
und Auslaß ist
sichergestellt, daß sich
im Überströmkanal ein
ausreichend hoher Druck einstellt. Zweckmäßig entspricht der in Richtung
der Zylinderlängsachse
gemessene Abstand der dem Brennraum zugewandten Oberkante des Auslasses
zur Oberkante des Überströmkanals
einer Umdrehung der Kurbelwelle um 0° bis 20°. Eine einfache Ausbildung des
Kolbens ergibt sich, wenn das Kolbenfenster als Öffnung vom Kolbenmantel zum
Kolbeninneren ausgebildet ist. Um eine symmetrische Spülung des
Brennraums und damit verbundene geringe Abgaswerte zu erreichen,
sind vier Überströmkanäle vorgesehen,
die symmetrisch zu einer Mittelebene angeordnet sind, wobei die
Mittelebene die Zylinderlängsachse
enthält
und den Auslaß etwa
mittig teilt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es
zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
eines Längsschnitts
durch einen Zweitaktmotor,
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2 bis 4 den Zylinder des Zweitaktmotors mit
darin angeordnetem Kolben in verschiedenen Kolbenstellungen in schematischer
Schnittdarstellung.
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Der
in 1 dargestellte Zweitaktmotor 1 besitzt
einen Zylinder 2, in dem ein Brennraum 3 ausgebildet
ist. Der Brennraum ist von einem Kolben 5 begrenzt, der über ein
Pleuel 6 eine in einem Kurbelgehäuse 4 gelagerte Kurbelwelle 7 antreibt.
Ins Kurbelgehäuse 4 mündet ein
Einlaß 10,
der dem Kurbelgehäuse 4 Kraftstoff/Luft-Gemisch
zuführen
kann, das beispielsweise in einer Gemischaufbereitungseinrichtung
wie einem Vergaser aufbereitet wurde. Der Einlaß 10 mündet an
der Zylinderbohrung 25 und ist durch das Kolbenhemd 24 des
Kolbens 5 schlitzgesteuert. Aus dem Brennraum 3 führt ein
ebenfalls schlitzgesteuerter Auslaß 9. Im Zylinder 2 sind Überströmkanäle 11 und 13 vorgesehen,
die in vorgegebenen Stellungen des Kolbens 5 den Brennraum 3 mit
dem Kurbelgehäuse 4 verbinden.
Dabei sind zwei auslaßnahe Überströmkanäle 11 und
zwei auslaßferne Überströmkanäle 13 vorgesehen,
die symmetrisch zu einer Mittelebene, die die Schnittebene in 1 bildet, angeordnet sind.
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Die
auslaßnahen Überströmkanäle 11 münden mit Überströmfenstern 12 in
den Brennraum 3 und die auslaßfernen Überströmkanäle 13 mit Überströmfenstern 14.
Der Kolben 5 besitzt Kolbenfenster 16 und 23,
die als Öffnungen
vom Kolbenmantel 24 ins Kolbeninnere ausgebildet sind. Über die
Kolbenfenster 16, 23 sind die Überströmkanäle 11, 13 im Bereich
des unteren Totpunkts des Kolbens 5 mit dem Kurbelgehäuse 4 verbunden.
Die kurbelgehäuseseitigen
Enden der Überströmkanäle 11, 13 sind somit
auf einer Höhe
im Zylinder 2 angeordnet, die der Position der Kolbenfenster 16, 23 im
Bereich des unteren Totpunkts des Kolbens 5 entspricht.
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Die Überströmfenster 12, 14 sind
so angeordnet, daß ihre
dem Brennraum 3 zugewandte Oberkante 18 etwa auf
der Höhe
der dem Brennraum 3 zugewandten Oberkante 27 des
Auslasses 9 angeordnet ist oder gegenüber der Oberkante 27 des
Auslasses 9 um einen Abstand d in Richtung auf das Kurbelgehäuse 4 versetzt
ist. Der Abstand d entspricht dabei zweckmäßig einer Umdrehung der Kurbelwelle 7 um
0° bis 20°.
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2 zeigt einen Schnitt durch
den Zylinder 2 auf der Höhe der auslaßfernen Überströmkanäle 13.
Die Überströmkanäle 13 sind
symmetrisch zur Mittelebene 28 angeordnet, die den Auslaß 9 des Zweitaktmotors 1 etwa
mittig teilt und die die Zylinderlängsachse 20 umfaßt. Die Überströmkanäle 13 münden mit Überströmöffnungen 15 ins
Kurbelgehäuse 4.
Die Überströmöffnungen 15 sind
dabei ebenso wie die Überströmfenster 14 in
einem Bereich an der Zylinderbohrung 25 angeordnet, der
vom Kolben 5 überfahren
wird. Somit sind sowohl die Überströmöffnungen 15 als
auch die Überströmfenster 14 schlitzgesteuert.
Die Überströmkanäle 13 sind als
Henkelkanäle
ausgebildet und über
einen Bereich ihrer Länge
zum Zylinderinnenraum hin verschlossen. Die dem Brennraum 3 zugewandte
Oberkante 21 der Überströmöffnung 15 besitzt
dabei zur dem Brennraum 4 zugewandten Unterkante 19 des Überströmfensters 14 einen
Abstand a, der kleiner ist als die Höhe c des Kolbens 5 im
Bereich der Überströmkanäle 13.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der den Brennraum 3 begrenzende Kolbenboden 17 ebenso
wie die dem Kurbelgehäuse 4 zugewandte Seite
des Kolbens 5 eben ausgebildet und verläuft senkrecht zur Zylinderlängsachse 20,
so daß der
Kolben 5 an jeder Stelle die gleiche parallel zur Zylinderlängsachse 20 gemessene
Höhe c
besitzt.
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Der
in Richtung der Zylinderlängsachse
gemessene Abstand b zwischen der Unterkante 22 der Überströmöffnung 15 und
der Oberkante 18 des Überströmfensters 14 ist
größer als
die Höhe
c des Kolbens 5. Somit ist bei der in 2 gezeigten Stellung des Kolbens 5 bei
der Bewegung des Kolbens 5 vom Brennraum 3 in
Richtung auf das Kurbelgehäuse 4 die Überströmöffnung 15 noch
geöffnet,
während
das Überströmfenster 14 bereits öffnet. Vorteilhaft
ist der Abstand b um 2 mm bis 4 mm größer als die Höhe c des
Kolbens 5, so daß die Überströmöffnung 15 noch
2 mm bis 4 mm geöffnet
ist, während das Überströmfenster 14 öffnet. Der
Abstand b entspricht vorteilhaft einer Umdrehung der Kurbelwelle um
5° bis 30° und insbesondere
um 15° bis
20°.
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Im
Betrieb des Zweitaktmotors 1 wird zunächst im Bereich des oberen
Totpunkts des Kolbens 5 Kraftstoff/Luft-Gemisch ins Kurbelgehäuse 4 angesaugt.
Beim Abwärtshub
des Kolbens 5 wird das Gemisch im Kurbelgehäuse 4 komprimiert
und strömt dann
durch die Kolbenfenster 16 und 23, die Überströmöffnungen 15 und
die Überströmkanäle 13 und 11 durch
die Überströmfenster 12 und 14 in
den Brennraum 3 ein. Im Bereich des oberen Totpunkts des
Kolbens 5 wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch von der im Zylinder 2 angeordneten
Zündkerze 8 gezündet. Bei
der darauffolgenden Abwärtsbewegung
des Kolbens 3 öffnet
der Auslaß 9 etwa
zeitgleich mit den Überströmkanälen 11 und 13 oder
kurz vor den Überströmkanälen 11 und 13.
Während
die Überströmkanäle öffnen, sind
die Überströmöffnungen
zum Kurbelgehäuse noch
nicht vollständig
geschlossen. Der hohe im Brennraum 3 herrschende Druck
kann sich dadurch in die Überströmkanäle 11 und 13 fortpflanzen,
so daß in
den Überströmkanälen 11 und 13 ein hoher
Druck herrscht. Bevor Abgase aus dem Brennraum 3 ins Kurbelgehäuse 4 strömen können, werden
die Überströmöffnungen 15 von
dem weiter abwärtsbewegten
Kolben 5 verschlossen.
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In 3 sind die vom Kolbenhemd 24 verschlossenen Überströmöffnungen 15 dargestellt.
Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Überströmöffnungen 15 bereits
vollständig
verschlossen sind, sind die Überströmfenster 14 erst
etwa um die Hälfte
vom Kolbenboden 17 geöffnet.
Bei weiterer Abwärtsbewegung des
Kolbens 5 in Richtung auf das Kurbelgehäuse 4 wird, wie in 4 dargestellt, die Überströmöffnung 15 von
den Kolbenfenstern 16 geöffnet. Die Lage der dem Kurbelgehäuse 4 zugewandten
Unterkante 26 der Kolbenfenster 16 bestimmt dabei
den Zeitpunkt, zu dem die Überströmkanäle eine
Verbindung zwischen dem Brennraum 3 und dem Kurbelgehäuse 4 herstellen.
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Der
im Kurbelgehäuse 4 herrschende
Druck ist zum Zeitpunkt der Öffnung
der Überströmöffnung 15 zum
Kurbelgehäuse 4 kleiner
als der in den Überströmkanälen 13 und 11 herrschende
Abgasdruck. Aus diesem Grund beginnt bei der Öffnung der Überströmöffnungen 15 nicht
sofort Kraftstoff/Luft-Gemisch durch die Überströmkanäle 11, 13 in
den Brennraum 3 zu strömen.
Vielmehr wird die Einströmung
in den Brennraum 3 so lange verzögert, bis der Druck des Kraftstoff/Luft-Gemischs
im Kurbelgehäuse 4 den
Abgasdruck in den Überströmkanälen 11 und 13 erreicht
hat. Nach dieser Zeitverzögerung
beginnt das Kraftstoff/Luft-Gemisch aus den Überströmkanälen 11, 13 bzw.
dem Kurbelgehäuse 4 schlagartig,
in den Brennraum 3 zu strömen. Durch die Verzöge rung der
Einströmung
läßt sich
ein gutes Spülergebnis
erreichen. Die schlagartige Einströmung stellt gleichzeitig sicher,
daß eine
ausreichende Menge von Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Brennraum 3 strömen kann.
Die Verzögerung
erlaubt die Anordnung der Überströmfenster 12, 14 etwa
auf der Höhe
des Abgasauslasses 9. Hierdurch kann eine geringe Baugröße des Zweitaktmotors 1 erreicht
werden.
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Es
kann, anstatt vier Überströmkanälen, auch
eine andere Anzahl von Überströmkanälen zweckmäßig sein.
Es kann zweckmäßig sein,
die Steuerzeiten bei den einzelnen Übe rströmkanälen unterschiedlich zu gestalten,
so daß eine
asymmetrische Spülung
des Brennraums 3 erreicht wird.