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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor, insbesondere
als Antriebsmotor in einem Kleinfahrzeug, in einem Ultraleichtfluggerät oder in einer
handgeführten
und/oder tragbaren Arbeitsgerätschaft,
zum Beispiel in einem Blasgerät,
in einem Freischneidegerät,
in einer Heckenschere, in einer Motor(ketten)säge, in einer Motorsense, in
einem Rasenmäher,
in einem Trennschleifer oder in dergleichen, aufweisend
- – mindestens
einen in einem Zylinder ausgebildeten Brennraum, der von einem zwischen
einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt auf- und abgehenden
Kolben begrenzt ist, wobei der Kolben eine in einem Kurbelgehäuse drehbar
gelagerte Kurbelwelle antreibt,
- – mindestens
einen Einlass zum Zuführen
eines von mindestens einer Gemischaufbereitungseinheit, insbesondere
Vergaser, Einspritzelement oder Zerstäuber, bereitgestellten, mittels
der Bewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt
zu verdichtenden Kraftstoff/Luft-Gemisches und
- – mindestens
einen dem Brennraum zugeordneten Auslass zum Abströmen des
durch Entzünden des
verdichteten Kraftstoff/Luft-Gemisches entstehenden Abgases.
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Stand der Technik
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Zweitaktmotoren
sind seit langer Zeit bekannt und allgemein gebräuchlich. Sie weisen im Wesentlichen
einen Zylinder auf, in dem ein Verbrennungsraum für die Verbrennung
eines Kraftstoff/Luft-Gemisches ausgebildet ist.
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Mit
dieser Verbrennung wird ein im Zylinder auf und ab bewegbarer Kolben
angetrieben, der seinerseits über
eine Pleuelstange auf eine Kurbelwelle einwirkt, die in einer Kurbelkammer
des Zweitaktmotors drehbar gelagert ist.
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Ein
aus den Vorgängen
Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstossen bestehendes Arbeitsspiel
des Zweitaktmotors wird während
eines vollständigen
Auf- und Abhubs des Kolbens bzw. einer vollen Umdrehung der Kurbelwelle
ausgeführt;
dies erfolgt im Gegensatz zum Viertaktmotor, bei dem der Zylinder
zwei vollständige
Hübe ausführt.
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Aufgrund
der Betriebsweise des Zweitaktmotors werden die Abgase aus dem Brennraum
durch das eingeleitete Frischgemisch verdrängt, wobei hingenommen wird,
dass über
den Auslass ein Teil des Frischgemisches unverbrannt abströmt. Diese
sogenannten Spülverluste
führen
zu Abgasen mit erheblichen Schadstoffkonzentrationen.
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Nun
veranlassen jedoch immer strengere Abgasvorschriften die Hersteller
von handgehaltenen bzw. tragbaren Zweitaktgeräten zu schadstoffemissionsärmeren Entwicklungen.
Hierbei ist zu bedenken, dass hohe Emissionswerte dann entstehen,
wenn das Kraftstoff/Luft-Gemisch nicht optimal ist.
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In
handgehaltenen bzw. tragbaren Arbeitsgerätschaften wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch
konventionellerweise durch ungeregelte Membranvergaser zur Verfügung gestellt.
Bedingt durch den einfachen Aufbau und durch die hohen Fertigungstoleranzen
haben Membranvergaser eine relativ große Serienstreuung.
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Da
diese Vergaser ungeregelt sind, ist das Kraftstoff/Luft-Gemisch
nur eingeschränkt
veränderbar
und wird außerdem
durch den Luftdruck und/oder durch die Temperatur beeinflusst. Eine
optimale Einstellung des Kraftstoff/Luft-Gemisches ist daher schwierig.
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In
EP 1 353 058 A2 aus
dem Stand der Technik ist ein für
Ottomotoren bestimmter Vergaser mit einstellbarer Brennstoffdüse offenbart.
Dieser bekannte Vergaser ist flexibel an erforderliche Motorbetriebspunkte
anpassbar und weist hierzu einen Lufttrichter zum Ansaugen von Brennstoff
aus einer in den Lufttrichter mündenden
Brennstoffleitung auf, die an einer Brennstoffkammer angeschlossen
ist und zwischen der Brennstoffkammer und ihrer Mündung im
Lufttrichter eine Brennstoffdüse
zur Einstellung der anzusaugenden Brennstoffmenge aufweist. Der Brennstoff
wird aufgrund von Unterdruck im Lufttrichter aus der Brennstoffkammer
abgesaugt.
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Um
schädliche
Abgasemissionen zu vermindern und um Energieverluste für das Gesamtsystem zu
vermeiden, weist die Brennstoffdüse
gemäß der
EP 1 353 058 A2 einen
mittels eines piezoelektrischen Aktuators veränderbaren Strömungsquerschnitt
auf. Mit dem piezoelektrischen Aktuator lässt sich der Strömungsquerschnitt
sehr feinfühlig
einstellen.
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Hierbei
kann der Aktuator gemäß der
EP 1 353 058 A2 mit
einem Stellglied in Wirkverbindung stehen. Der piezoelektrische
Aktuator reagiert unmittelbar auf sich verändernde Regelwerte und kann
als Biegewandler oder als piezoelektrische Membran oder als in axialer
Richtung wirksamer Aktuator ausgebildet sein.
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Alternativ
zum Vergaser kann auch ein Einspritzelement, zum Beispiel eine Einspritzdüse, zum Einsatz
gelangen (vgl.
DE
10 2004 002 160 A1 aus dem Stand der Technik). Ein derartiges
Einspritzelement kann entweder den Vergaser ersetzen oder in das
Kurbelgehäuse,
in die Überströmkanäle und/oder
in den Brennraum einspritzen.
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Neben
der Regelung der Kraftstoffzuführung (Hauptdüse) ist
es auch möglich,
die Luftzuführung zu
beeinflussen. Dies ist in der
JP 60001362 A zu erkennen und auch aus den
geregelten Vergasern der ersten Generation von Katalysatoren für Personenkraftwagen
bekannt.
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Darstellung der vorliegenden Erfindung:
Aufgabe, Lösung,
Vorteile
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Ausgehend
von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten
sowie unter Würdigung
des umrissenen Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen Zweitaktmotor der eingangs genannten
Art so weiterzubilden, dass die Abgaszusammensetzung ermittelbar
ist, so dass das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Hinblick auf möglichst
niedrige Emissionswerte optimiert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Zweitaktmotor mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden
Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ausgehend
von der Problematik, dass die Messungen im Abgasbereich hinsichtlich
der aus der Verbrennung resultierenden Abgaszusammensetzung stark
fehlerbehaftet sind, weil hier die Spülverluste und insbesondere
die Luftvorlage eine Rolle spielen, basiert die vorliegende Erfindung
grundsätzlich
auf einer Messregelung, insbesondere auf einer Lambdaregelung, für Zweitaktmotoren.
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Hierzu
steht die Brennkammer des Zylinders des Zweitaktmotors erfindungsgemäß mit mindestens
einer zum Bestimmen der Zusammensetzung des Abgases vorgesehenen
Messsonde, insbesondere Lambdasonde, in Verbindung.
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Mithin
kann das Abgas aus der Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemisches direkt
und unverfälscht der
Messsonde, insbesondere der Lambdasonde, zugeführt werden, so dass erfindungsgemäß eine Messsondenregelung
für Zweitaktmotoren
möglich wird,
wobei die Messsonde dann direkt zur Steuerung mindestens einer regelbaren
Gemischaufbereitungseinheit eingesetzt werden kann.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung steht
die Messsonde über
mindestens eine Regelungseinrichtung mit der zum Bereitstellen des
Kraftstoff/Luft-Gemisches vorgesehenen, mindestens einem zur Kurbel(wellen)kammer hin
sich öffnenden
Einlass zugeordneten Gemischaufbereitungseinheit in Verbindung.
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Diese
Gemischaufbereitungseinheit kann mittels der Messsonde geregelt
werden, so dass das Kraftstoff/Luft-Gemisch wesentlich genauer bereitgestellt
werden kann. Geringere Abgasemissionen, eine höhere Effizienz und mehr Leistung
des Zweitaktmotors sind somit möglich.
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In
zweckmäßiger Weise
ist die Zusammensetzung des Kraftstoff/Luft-Gemisches von der mittels der Messsonde
bestimmten Zusammensetzung des Abgases abhängig; insbesondere kann die
Zusammensetzung des Kraftstoff/Luft-Gemisches mittels mindestens
einer der Gemischaufbereitungseinheit zugeordneten Drosseleinrichtung,
zum Beispiel mittels mindestens einer Piezodrossel, gesteuert werden.
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Hierzu
ist anzumerken, dass neben dem Einsatz eines Membranvergasers oder
eines Piezovergasers auch andere regelbare Gemischaufbereitungseinheiten
verwendet werden können,
beispielsweise Einspritzelemente, Zerstäubereinheiten oder dergleichen,
wie etwa Einspritzdüsen,
Ultraschallzerstäuber
oder dergleichen. Neben der Regelung der Kraftstoffzuführung (Hauptdüse) ist
es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, die Luftzuführung zu
beeinflussen.
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In
einer bevorzugten Bauform der vorliegenden Erfindung ist die Messsonde
zumindest partiell innerhalb einer, insbesondere kammerförmigen,
Ausnehmung angeordnet, die
- – im Gussteil des Zylinders
integriert und/oder
- – in
beliebiger Lage am Umfang des Zylinders positioniert
sein
kann.
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Um
eine möglichst
authentische sowie unverfälschte
Feststellung der Zusammensetzung der Verbrennungsabgase zu ermöglichen,
kann die Verbindung zwischen der Messsonde und der Brennkammer des
Zylinders in vorteilhafter Weise knapp oberhalb der Auslassöffnung (betrachtet
in Bezug auf den oberen Totpunkt des Zylinders) angeordnet sein.
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Unabhängig hiervon
oder in Verbindung hiermit kann die Verbindung zwischen der Messsonde und
der Brennkammer des Zylinders kanalförmig, insbesondere als Bohrung,
ausgebildet sein, um eine möglichst
unmittelbare Feststellung der Zusammensetzung der Verbrennungsabgase
zu ermöglichen.
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Der
Fachmann auf dem Gebiet der Zweitaktmotoren wird auch zu schätzen wissen,
dass die Verbindung zwischen der Messsonde und der Brennkammer des
Zylinders in zweckmäßiger Weise
durch temporäres
Entfernen, insbesondere durch Herausschrauben, der Messsonde gereinigt
werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Kleinfahrzeug oder
eine handgeführte
bzw. tragbare Arbeitsgerätschaft,
zum Beispiel ein Blasgerät,
ein Freischneidegerät,
eine Heckenschere, eine Motor(ketten)säge, eine Motorsense, einen
Rasenmäher,
einen Trennschleifer oder dergleichen, aufweisend mindestens einen
Zweitaktmotor gemäß der vorstehend
dargelegten Art.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zum Bestimmen
der Zusammensetzung des Abgases eines Zweitaktmotors, insbesondere
als Antriebsmotor in einem Kleinfahrzeug oder in einer handgeführten und/oder
tragbaren Arbeitsgerätschaft,
zum Beispiel in einem Blasgerät,
in einem Freischneidegerät,
in einer Heckenschere, in einer Motor(ketten)säge, in einer Motorsense, in
einem Rasenmäher,
in einem Trennschleifer oder in dergleichen, wobei
- – in
einem Zylinder ein Kolben zwischen einem unteren Totpunkt und einem
oberen Totpunkt auf- und abgeht und eine in einem Kurbelgehäuse drehbar
gelagerte Kurbelwelle antreibt,
- – mindestens
einem im Zylinder ausgebildeten, vom Kolben begrenzten Brennraum
ein von mindestens einer Gemischaufbereitungseinheit, insbesondere
Vergaser, Einspritzelement oder Zerstäuber, bereitgestelltes, mittels
der Bewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt
verdichtetes Kraftstoff/Luft-Gemisch zugeführt wird und
- – das
durch Entzünden
des verdichteten Kraftstoff/Luft-Gemisches entstehende Abgas abströmt,
dass
der Brennraum in Verbindung mit mindestens einer Messsonde, insbesondere
Lambdasonde, steht, mittels derer die Zusammensetzung des Abgases
bestimmt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie
bereits vorstehend erörtert,
gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits auf die dem Anspruch
1 sowie dem Anspruch 8 jeweils nachgeordneten Ansprüche verwiesen,
andererseits werden weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung nachstehend anhand des durch 1 veranschaulichten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 in
schematischer Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel für einen
Zweitaktmotor gemäß der vorliegenden
Erfindung, der nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
arbeitet.
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Bester Weg zur Ausführung der
vorliegenden Erfindung
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Der
anhand 1 exemplarisch veranschaulichte Zweitaktmotor 100 ist
aufgrund seines geringen Leistungsgewichts in besonderer Weise als Antriebsmotor
in einem Kleinfahrzeug oder in einer handgeführten und/oder tragbaren Arbeitsgerätschaft
vorteilhaft einsetzbar, zum Beispiel in einem Glasgerät, in einem
Freischneidegerät,
in einer Heckenschere, in einer Motor(ketten)säge, in einer Motorsense, in
einem Rasenmäher,
in einem Trennschleifer oder in dergleichen.
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Der
Zweitaktmotor 100 weist einen in einem Zylinder 10 ausgebildeten
Brennraum 12 auf, der zu einem Kurbelgehäuse 20 durch
einen auf- und abgehenden Kolben 14 begrenzt ist. Der Kolben 14 ist über ein
Pleuel mit einer im Kurbelgehäuse 20 drehbar
gelagerten Kurbelwelle 24 verbunden und treibt diese Kurbelwelle 24 an.
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Dem
Brennraum 12 ist ein Auslass 70 zugeordnet, über den
die Abgase durch einen Auslasskanal 72 zur Auspuffanlage 74 abströmen. Das
zum Betrieb des Verbrennungsmotors erforderliche Kraftstoff/Luft-Gemisch
wird in einer regelbaren Gemischaufbereitungseinrichtung 50,
zum Beispiel in einem Membranvergaser, in einem Piezovergaser, in einer
Einspritzdüse
oder in einem Ultraschallzerstäuber,
aufbereitet und über
einen Einlasskanal 52 und einen Einlass 54 dem
Kurbelgehäuse 22 zugeführt.
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Die
vorliegende Erfindung beruht nun grundsätzlich auf der Einbindung einer
Kammer 32 mit Lambdasonde 30 zur Messung des Wertes
Lambda unter den Besonderheiten des somit lambdageregelten Zweitaktmotors 100.
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Hierzu
ist diese Lambdakammer 32 über eine kleine Bohrung 80 mit
der Brennkammer oder dem Brennraum 12 des Zylinders 10 des
Zweitaktmotors 100 verbunden. Zum Reinigen der Bohrung 80 kann
die Lambdasonde 30 einfach herausgeschraubt werden, so
dass die Bohrung 80 dann von außen zugänglich wird.
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Diese
Bohrung 80 zwischen der Brennkammer (dem Brennraum 12)
des Zylinders 10 und der Ausnehmung (Kammer 32)
ist am Umfang des Zylinders 10 in nahezu beliebiger Weise
positioniert, und zwar in 1 in einer
Höhe knapp über dem
dem Auspuff 74 zugeordneten Auslass 70, mittels
dessen aus dem Brennraum 12 des Zylinders 10 das
Abgas abgeführt
wird, das durch das mittels der Zündkerze 60 bewirkte
Entzünden des
verdichteten Kraftstoff/Luft-Gemisches entsteht; hierbei beruht
die Komprimierung des Kraftstoff/Luft-Gemisches darauf, dass sich
der Kolben 14 innerhalb des Zylinders 10 vom unteren
Totpunkt zum oberen Totpunkt aufwärts bewegt.
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Bewegt
sich der Kolben 14 wieder nach unten, das heißt vom oberen
Totpunkt zum unteren Totpunkt, so wird die Bohrung 80 freigegeben,
so dass das Abgas mit einem Restdruck von einigen bar durch die
Bohrung 80 in die Kammer 32 mit der Lambdasonde 30 einströmen kann.
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Hierbei
kann das Druckniveau – ausgelegt durch
die Positionierung der Bohrung 80 und/oder durch die Steuerzeit
der Bohrung 80 – so
gewählt werden,
dass während
des Auslassvorgangs und/oder während
des Spülungsvorgangs
ein Rückströmen des
zuvor mit hohem Druck eingeströmten Abgases
erfolgt.
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Während der
Zweitaktmotor 100 läuft,
pulsiert der Druck in der Kammer 32 beispielsweise zwischen
etwa zwei bar und etwa drei bar. Hierdurch wird verhindert, dass
Frischgas in die Kammer 32 gelangt. Bedingt durch die hohe
Drehfrequenz befindet sich stets die quasi-aktuelle Abgaszusammensetzung
aus der Verbrennung in der Kammer 32 (Teilaustausch mit
jedem Druckimpuls).
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Die
Lambdakammer 32 ist in der Ausgestaltung der 1 im
Zylindergußteil
integriert und kann am Umfang des Zylinders 10 in nahezu
beliebiger Weise positioniert werden (sehr ähnlich einer Seitendekokammer,
jedoch wesentlich tiefer angebracht, so dass kein Leistungsverlust
auftritt).
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Im
Hinblick auf den gemäß 1 zwischen der
Lambdasonde 30 und der regelbaren Gemischaufbereitungseinheit
(Hauptdüse 50)
angeordneten Regler 40 ist grundsätzlich zu bedenken, dass ein Zweitaktmotor
prinzipbedingt etwa zwanzig Prozent bis etwa dreißig Prozent
seiner Frischla dung als Kurzschlussverlust emittiert.
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Hinsichtlich
derartiger Kurzschlussverluste ist zu berücksichtigen, dass konventionelle
Zweitaktmotoren prinzipbedingt hohe Kohlenwasserstoffemissionen
aufweisen. Diese hohen Kohlenwasserstoffemissionen werden hauptsächlich durch
Kurzschlussströmungen
zwischen den beim Spülvorgang gleichzeitig
offenen (Überström-)Einlass-
und Auslassquerschnitten verursacht.
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Durch
eine geschickte Ladungsschichtung ist es jedoch möglich, diese
Spülverluste
zu minimieren. Hierbei wird die Kurzschlussströmung als unvermeidbar angesehen
und auch versucht, diesen Volumenanteil an der Ladung durch reine
Luft oder durch ein sehr mageres Gemisch mit geringen Kohlenwasserstoffanteilen
zu ersetzen.
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Bei
konventioneller Bauart eines Zweitaktmotors, das heißt ohne
Kammer 32, kann die Lambdasonde nun nicht den geringen
Restsauerstoffanteil aus der Verbrennung messen, denn der zugemischte Sauerstoffanteil
aus den Kurzschlussverlusten liegt um einige Größenordnungen über dem
Sauerstoffanteil aus der Verbrennung.
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Des
Weiteren ist hinsichtlich konventioneller Ausgestaltungen zu bedenken,
dass ein programmiertes Kennfeld ohne Lambdaregelung in der Serienfertigung
zu ungenau wäre,
denn die Fertigungstoleranzen – zum
Beispiel streuende Steuerzeiten – eines kleinen Zweitaktmotors
wirken sich auf die erforderliche Einstellung der Gemischaufbereitungseinrichtung
aus.
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Mithin
ist diese Streuung zu kompensieren durch die Regelung 40,
die mit der Lambdasonde 30 in Verbindung 82 steht.
Durch Vorsehen der kammerförmigen
Ausnehmung 32, innerhalb derer die Lambdasonde 30 partiell
aufgenommen ist, gelingt es, über
die vom Brennraum 12 des Zylin ders 10 kommende
kanalförmige
Verbindung 80 der Lambdasonde 20 nur das Abgas
aus der Verbrennung zuzuführen,
so dass die erfindungsgemäße Bereitstellung
einer Lambdasonden-Regelung für
den Zweitaktmotor 100 möglich
ist.
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Mit
diesem Regler 40 steht die zum Bereitstellen des Kraftstoff/Luft-Gemisches vorgesehene und
dem Einlasskanal 52 sowie der Einlassöffnung 54 zugeordnete
regelbare Gemischaufbereitungseinheit 50 in Verbindung 84,
wobei die Zusammensetzung des Kraftstoff/Luft-Gemisches von der
mittels der Lambdasonde 30 bestimmten Zusammensetzung des
Abgases abhängig
ist und im Speziellen mittels einer der Hauptdüse 50 zugeordneten
Drosseleinrichtung in Form einer Piezodrossel gesteuert wird (→ sogenannte
piezogesteuerte Hauptdüse 50).
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Auf
diese Weise kann das Kraftstoff/Luft-Gemisch wesentlich genauer
bereitgestellt werden kann. Geringere Abgasemissionen, eine höhere Effizienz
und mehr Leistung des Zweitaktmotors 100 sind somit möglich. Im
Leerlauf des Zweitaktmotors 100 kann eine ungeregelte Leerlaufdüse die Aufbereitung
des Kraftstoff/Luft-Gemisches übernehmen.
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- 100
- Zweitaktmotor,
insbesondere als Antriebsmotor in einem Kleinfahrzeug oder in einer handgeführten und/oder
tragbaren Arbeitsgerätschaft
- 10
- Zylinder
- 12
- Brennkammer
oder Brennraum des Zylinders 10
- 14
- Kolben
des Zylinders 10
- 20
- Kurbelgehäuse
- 22
- Kurbelkammer
oder Kurbelwellenkammer
- 24
- Kurbelwelle
- 30
- Messsonde,
insbesondere Lambdasonde
- 32
- Ausnehmung,
insbesondere kammerförmige Ausnehmung,
zum Beispiel Kammer, wie etwa Lambdakammer
- 40
- Regelungseinrichtung
- 50
- regelbare
Gemischaufbereitungseinheit, insbesondere Vergaser, Einspritzelement
oder Zerstäuber,
zum Beispiel Membranvergaser, Piezovergaser, Einspritzdüse oder
Ultraschallzerstäuber
- 52
- Einlasskanal
- 54
- Einlass,
insbesondere Einlassöffnung
- 60
- Zündkerze
- 70
- Auslass,
insbesondere Auslassöffnung
- 72
- Auslasskanal
- 74
- Auspuffanlage,
insbesondere Auspuff
- 80
- Verbindung,
insbesondere kanalförmige
Verbindung, zum Beispiel Bohrung, zwischen Brennkammer oder Brennraum 12 und
Messsonde 30
- 82
- Verbindung
zwischen Messsonde 30 und Regelungseinrichtung 40
- 84
- Verbindung
zwischen Regelungseinrichtung 40 und Gemischaufbereitungseinheit 50