DE3735710A1 - Zweitaktmotor fuer schnell laufende arbeitsgeraete - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor, insbesondere für tragbare, handgesteuerte Arbeitsgeräte wie Motorsägen oder dgl. nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Zweitaktmotor ist aus der US 42 48 185 be­ kannt. Im Ansaugteil des Gemischüberströmkanals ist ein Vergaser angeordnet, der durchströmende Frischluft zur Bil­ dung eines Kraftstoff/Luft-Gemisches mit Kraftstoff anrei­ chert. Das Gemisch wird - nach Einlaß einer Teilmenge von Frisch- bzw. Spülluft - in den Zylinderbrennraum eingelas­ sen.

Die Aufbereitung des Gemisches mittels eines Vergasers ist - insbesondere hinsichtlich der Abgasqualität - nicht immer zufriedenstellend. Es wurde daher auch schon vorgeschlagen, bei Zweitaktmotoren den Kraftstoff mittels einer pneuma­ tisch angetriebenen Einspritzpumpe mengenangepaßt einzu­ spritzen (DE-OS 35 21 772). Bei der Kraftstoffeinspritzung bei insbesondere schnell laufenden Zweitaktmotoren treten jedoch im Hinblick auf die Gemischaufbereitung Probleme auf. Nur hochgenau bearbeitete und somit teure Einspritz­ düsen verteilen den Kraftstoff innerhalb der kurzen Ein­ spritzzeit derart fein, daß eine gute Gemischbildung durch Verdampfen des Kraftstoffes gewährleistet ist. Um den Kraftstoff fein verteilt als Kraftstoffnebel aus der Ein­ spritzdüse austreten zu lassen, ist auch ein hoher Ein­ spritzdruck erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Zwei­ taktmotor mit einem Gemisch einbringenden Überströmkanal mit einfachen Mitteln eine gute Aufbereitung des Kraft­ stoff/Luft-Gemisches auch bei hohen Drehzahlen zu gewähr­ leisten.

Diese Aufgabe wird nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Durch Schaffung eines Kraftstoffverdampfungsraumes im Ge­ misch einbringenden Überströmkanal wird durch einen weit­ gehend unverteilten Kraftstoffstrahl einer einfachen Ein­ spritzdüse auf die heißen Wandbereiche aufgebrachter Kraft­ stoff unter Bildung eines Kraftstoffgemisches verdampft. Dieses gut aufbereitete Gemisch bleibt im Überströmkanal gespeichert und wird erst beim Öffnen des Überströmkanals durch aus dem Kurbelgehäuse überströmende Frischluft in den Brennraum ausgetragen. Da sofort nach Austragen des Gemi­ sches und Schließen des Überströmkanals wieder Kraftstoff auf die heißen Wandbereiche zum Abdampfen aufgetragen wer­ den kann, steht zur Bildung eines neuen Gemisches für den nächsten Verbrennungsvorgang der Zeitraum vom Schließen bis zum erneuten Öffnen des Gemischüberströmkanals zur Verfü­ gung, wodurch insbesondere bei schnell laufenden Zweitakt­ motoren, die z.B. in tragbaren, handgesteuerten Arbeits­ geräten wie Motorsägen Verwendung finden, eine hervorra­ gende Gemischaufbereitung gewährleistet ist.

Hervorzuheben ist, daß die Kraftstoffverteilung nunmehr im wesentlichen durch Abdampfen von der heißen Wand erfolgt, so daß nur leicht oder gar nicht zerstäubende Einspritzdü­ sen verwendet werden können. Im Extremfall ist eine einfa­ che Bohrung in der der heißen Wand gegenüberliegenden Wand des Verdampfungsraumes als Öffnung zum Einbringen von Kraftstoff ausreichend. Die Düsenform sowie ihr Querschnitt ist nunmehr unabhängig von der Zerstäubung wählbar.

Auch wird zur Einspritzung kein hoher Einspritzdruck mehr benötigt, so daß einfachere, leistungsärmere und damit auch kostengünstigere Einspritzpumpen (pneumatische Ein­ spritzpumpen) verwendet werden können. Aufgrund des gerin­ gen Einspritzdruckes sind auch einfachere Einspritzleitun­ gen verwendbar. So können aus einem formstabilen, aber flexiblen Kunststoff auf Polyamidbasis bestehende Ein­ spritzleitungen verwendet werden; hierdurch ergibt sich auch eine freiere Anordnungsmöglichkeit der pneumatischen Einspritzpumpe.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens beruht darauf, daß der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung nicht mehr genau fest­ gelegt werden muß. Üblicherweise wird mit Zweitakt-Ein­ spritzanlagen, wie z.B. in der DE-OS 35 21 772 beschrieben, der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt. Zu frühe Einspritzzeitpunkte ergeben dabei Kraftstoff-Spülver­ luste durch den Zylinderauslaß, zu späte Einspritzzeitpunk­ te verkürzen die Gemischaufbereitungszeit. Beides führt zu hohem Kraftstoffverbrauch und schlechter Abgasqualität, so daß der korrekte Zeitpunkt genau eingehalten werden muß.

Bei der beschriebenen Kraftstoffeinspritzung in den Ver­ dampfungsraum kommt dem Einspritzzeitpunkt eine wesentlich geringere Bedeutung zu. Grundsätzlich könnte sogar die kon­ tinuierliche Kraftstoffeinspritzung eingesetzt werden, da der Kraftstoffeintritt in den Zylinder allein durch die Steuerkante 7 b des Gemischüberströmkanales 7 festgelegt wird. Bei kontinuierlicher Einspritzung wird nur ein Teil des Kraftstoffes auf die Wand der Verdampfungskammer ge­ spritzt. Während des Überströmvorganges im Gemischüber­ strömkanal 7 eingespritzter Kraftstoff wird durch die Strö­ mung der Luft sofort mitgenommen und in den Zylinder trans­ portiert. Während dieses Überströmvorganges wird das Ge­ misch durch Umlenkungen und beim Austritt aus dem Kanal­ fenster 7 a sehr stark verwirbelt und dadurch gut aufberei­ tet.

Der Zylinder und der Verdampfungsraum haben vorteilhaft eine gemeinsame Wand, wobei aufgrund der Wärmeleitung der Zylinderwand diese ohne weitere Maßnahmen durch die Ver­ brennungswärme ständig aufgeheizt wird. Um eine optimal heiße Wand zu erhalten, liegt der Verdampfungsraum vorteil­ haft nahe am Zylinderkopfboden in dem Bereich der Zylinder­ wand, wo die Verbrennung stattfindet. Der Verdampfungsraum ist hierbei über einen schräg zum Zylinderende gerichteten Kanal mit dem Brennraum verbunden. Die in der Zylinderwand ausgebildete Kanalmündung liegt in Richtung des unteren Totpunktes des Kolbens nach der Frischluftkanalmündung in der Zylinderwand.

Vorteilhaft ist der Verdampfungsraum als Ausnehmung eines an den Zylinder angebauten Anbauteiles ausgebildet. Die Ausnehmung wird dabei - bei angebautem Anbauteil - von der Zylinderwand abgedeckt und bildet den Verdampfungsraum. Das Anbauteil ist zweckmäßig auf den Ansaugstutzenanschluß am Zylinder aufgeschoben und weist eine - den Ansaugstutzenan­ schluß verlängernde - Ansaugkanalbohrung auf.

Die Verwendung von flexiblen Schlauchleitungen vom Verdamp­ fungsraum zum Kurbelgehäuse als Überströmkanal ermöglicht eine weitgehend freie Anordnung des Verdampfungsraums am Zylinder selbst.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weite­ ren Ansprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung, die ein im folgenden näher beschriebenes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zweitaktmo­ tors im Schnitt nach Linie A-A in Fig. 2,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Zylinder des Zweitakt­ motors nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines konstruktiv ausgeführ­ ten, luftgekühlten Zylinders nach Linie B-B in Fig. 4 für einen Zweitaktmotor nach Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt nach Linie C-C durch den Zylinder nach Fig. 3.

Der dargestellte Zweitaktmotor 1 besteht im wesentlichen aus einem Zylinder 2, in dem ein einen Brennraum 4 begren­ zender Kolben 3 zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt auf und ab bewegt wird. Der Kolben 3 ist über ein Pleuel 12 mit einer in einem Kurbelgehäuse 15 angeordneten Kurbelwelle 13 verbunden, die zumindest eine Kurbelwange 14 aufweist. Der Brennraum 4 des Zylinders 2 ist über Kanäle 5, 6 und 7 mit dem Kurbelgehäuse 15 verbunden, in das ein Ansaugkanal (nicht dargestellt) mündet.

Die Kanäle 5 und 6 sind als reine Frischluftkanäle vorgese­ hen, über die ausschließlich in das Kurbelgehäuse 15 ange­ saugte Frischluft in den Brennraum 4 überströmt.

Der Überströmkanal 7 ist zum Einbringen eines Kraftstoffge­ misches vorgesehen. Dieser Gemischüberströmkanal 7 weist einen Verdampfungsraum 8 auf, der in den Überströmkanal 7 integriert ist. Der Verdampfungsraum 8 hat eine mit dem Zylinder 2 gemeinsame, gut wärmeleitende Wand 9, auf die über eine der Wand gegenüberliegende Einspritzdüse 10 Kraftstoff aufgespritzt wird.

Die Mündung 5 a bzw. 6 a des Frischluftkanals 5 bzw. 6 in der Zylinderwand 2 a liegt näher am Zylinderkopfboden 11 als die Mündung 7 a des Gemischüberströmkanals 7.

Im oberen Totpunkt des Kolbens 3 verschließt dieser die Frischluftkanäle 5 und 6, den Gemischüberströmkanal 7 sowie einen Auslaßkanal 16. Die nicht dargestellte Ansaugkanal­ öffnung zum Kurbelgehäuse ist in dieser Kolbenstellung of­ fen.

In das Kurbelgehäuse strömt Frischluft ein.

Aufgrund des Druckanstiegs im Brennraum 4 nach Zündung des im Brennraum verdichteten Gemisches fährt der Kolben 3 von seiner oberen Totpunktlage in Richtung auf seine untere Totpunktlage, wobei zunächst der Auslaßkanal 16 zum Ablas­ sen der Verbrennungsgase geöffnet wird. Bei der weiteren Abwärtsbewegung des Kolbens in Richtung auf seinen unteren Totpunkt überfährt dieser die obere Steuerkante 5 b der Frischluftkanalmündung 5 a (Fig. 1), so daß aufgrund des Druckanstiegs im Kurbelgehäuse 15 - die Ansaugkanalöffnung ist nun geschlossen - Frischluft über die Kanäle 5 und 6 in den Brennraum 4 überströmen kann und diesen von Abgasen freispült.

Bei der weiteren Abwärtsbewegung des Kolbens 3 wird nun - bei schon teilgeöffneten Frischluftkanalmündungen 5 a und 6 a - die Steuerkante 7 b der Gemischüberströmkanalmündung 7 a geöffnet und die durch den Überströmkanal 7 strömende Frischluft trägt den von der Wand 9 abgedampften Kraftstoff ein. Die bereits über die Frischluftkanäle 5 und 6 überge­ strömte, seitlich in den Brennraum 4 eintretende Frischluft bildet eine Frischluftbarriere vor dem offenen Auslaßkanal 16, so daß nur sehr geringe Anteile des eingetragenen Kraftstoffgemisches durch den Auslaßkanal 16 verloren ge­ hen. Der Gemischüberströmkanal liegt dem Auslaßkanal 16 gegenüber.

Nach Durchlaufen des unteren Totpunkts werden der Reihen­ folge nach die Gemischüberströmkanalmündung 7 a, die Frisch­ luftkanalmündungen 6 a und 5 a sowie der Auslaßkanal 16 ver­ schlossen und die Ansaugkanalöffnung zum Nachströmen neuer Frischluft in das Kurbelgehäuse 15 geöffnet. Nach Verdich­ tung des Gemisches bis zum oberen Totpunkt des Kolbens 3 wird dieses wieder gezündet und der beschriebene Zyklus be­ ginnt von neuem.

Durch die Einspritzung von Kraftstoff in einen Verdamp­ fungsraum 8 des Überströmkanals 7 kann diese weitgehend unabhängig von der Stellung des Kolbens 3, insbesondere weit vor Öffnen der Mündung des Gemischüberströmkanals er­ folgen. Gerade bei schnell laufenden Zweitaktmotoren, wie sie in Motorsägen Verwendung finden, ist die Gemischaufbe­ reitung nun auch zufriedenstellend.

Die Einspritzung des Kraftstoffs für einen Zyklus kann be­ reits beim Verdichtungszyklus des vorherigen Zyklus nach Schließen der Gemischüberströmkanalmündung 7 a erfolgen. Der auf die heiße Wand 9 aufgetragene Kraftstoff dampft ab und bildet ein gut aufbereitetes Kraftstoff/Luft-Gemisch. Die Abdampfung ist bis zum erneuten Öffnen der Mündung 7 a zum Einlassen des Kraftstoff/Luft-Gemisches möglich, so daß eine sehr lange Zeitspanne zur Aufbereitung des Gemisches zur Verfügung steht.

Vorteilhaft ist, daß der Kraftstoff aufgrund der zur Verfü­ gung stehenden langen Zeitspanne für eine Verdampfung durch die Einspritzdüse nur wenig oder gar nicht zerstäubt zu werden braucht, so daß einfache Düsen - im Extremfall ein einfaches Einspritzloch in der Wandung des Verdampfungs­ raums - verwendbar sind. Eine die Einspritzdüse 10 mit Kraftstoff versorgende Einspritzpumpe braucht ebenso nur einen geringen Einspritzdruck bereitzustellen, so daß ein­ fache Pumpen einsetzbar sind. Hervorzuheben ist, daß insbe­ sondere die Einspritzleitung von der nicht dargestellten Einspritzpumpe zur Einspritzdüse 10 nicht mehr starr ausge­ bildet zu sein braucht, sondern Einspritzleitungen aus einem formstabilen, aber weichen Kunststoff, vorzugsweise auf Polyamidbasis, angewendet werden können. Somit entfällt die starre Bindung der Einspritzpumpe an den Zweitaktmotor aufgrund ansonsten notwendiger starrer Einspritzleitungen.

Einen konstruktiv ausgebildeten, einteiligen Zylinder 2 mit Kühlrippen zur Luftkühlung zeigen die Fig. 3 und 4. Der Ge­ mischüberströmkanal 7 ist durch zwei in den Verdampfungs­ raum 8 mündende Schlauchleitungen 27 gebildet, die mit dem Kurbelgehäuse 15 verbunden sind. Der Verdampfungsraum 8 selbst ist im wesentlichen durch eine Ausnehmung 28 in einem Anbauteil 23 vorgesehen, das - auf den Ansaugstutzen­ anschluß 24 am Zylinder 2 aufgeschoben - am Zylinder befe­ stigt ist. Die Ausnehmung 28 ist durch den Zylinderwandbe­ reich 9 und den Anschluß 24 zu einem geschlossenen Verdamp­ fungsraum 8 begrenzt, der über eine schußkanalähnliche Boh­ rung 29, die die Mündung 7 a in der Zylinderwand 2 a ausbil­ det, mit dem Brennraum 4 verbunden.

Eine im Anbauteil 23 der Wand gegenüberliegende Bohrung 21 ist zur Aufnahme der Einspritzdüse 10 vorgesehen, deren Mündung der Wand 9 gegenüberliegt. Die Einspritzstrahlachse liegt zweckmäßig geneigt zur Wand 9.

Das Anbauteil 23 wird - nach Aufschieben auf den Anschluß 24 - über die Bohrung 25 durchragende Schrauben am Zylinder 2 festgelegt. Im Anbauteil 23 ist koaxial zum Ansaugstut­ zenanschluß 24 eine durchgehende Bohrung zur Bildung des Ansaugkanals 22 vorgesehen, an die das Ansaugrohr anzu­ schließen ist.

Im Kopf des Zylinders ist ferner eine Aufnahmebohrung 20 für die Zündkerze vorgesehen.

In Fig. 3 sind ferner die im Zylinder 2 integrierten Frischluftkanäle 5 und 6 zu erkennen. Jeder Kanal mündet - in Hubrichtung des Kolbens auf seinen oberen Totpunkt zu - oberhalb der Mündung 7 a des Gemischüberströmkanals 7 in der Zylinderwand 2 a. Die in Fig. 4 gezeigte Öffnung 5 c ist die Einlaßmündung vom Kurbelgehäuse 15 in den Frischluftkanal 5 bzw. 6, die bei der unteren Totpunktstellung des Kolbens - anders als die dann geschlossene Einlaßkanalmündung 22 a des Ansaugkanals - offen sein kann.

Bei Verwendung von Steuerschiebern wie z.B. Klappendreh­ schiebern oder dgl. sind auch unsymmetrische Steuerzeiten der Kanäle möglich; bei der gezeigten und beschriebenen Ausführungsform sind die Kanäle - über dem Kurbelwinkel - symmetrisch zum unteren Totpunkt bzw. oberen Totpunkt des Kolbens geöffnet.

Claims (8)

1. Zweitaktmotor, insbesondere für tragbare handgesteuerte Arbeitsgeräte wie Motorsägen oder dgl., mit einem in einem Zylinder (2) geführten Kolben (3), der einen Brennraum (4) begrenzt, mit mindestens einem in den Zylinder (2) mündenden Frischluftkanal (5) und einem Überströmkanal (7) zum Einbringen eines Kraftstoff/ Luft-Gemisches in den Brennraum (4), wobei die Mündun­ gen (5 a, 6 a,) der Kanäle (5, 7) in der Zylinderwand (2 a) vom Kolben (3) zumindest in dessen oberer Tot­ punktstellung verschlossen sind und die Mündung (5 a) des Frischluftkanals (5) näher am Zylinderkopfboden (11) liegt als die Mündung (7 a) des Überströmkanals (7), so daß beim Abwärtshub des Kolbens (3) die Mündung (5 a) des Frischluftkanals (5) früher öffnet als die Mündung (7 a) des Überströmkanals (7), dadurch gekennzeichnet, daß der Überströmkanal (7) einen Kraftstoffverdampfungsraum (8) aufweist, der zu­ mindest von der Abwärme des Zweitaktmotors (1) aufge­ heizte Wandbereiche (9) umfaßt, von denen über eine Einspritzdüse (10) aufgetragener Kraftstoff zur Bildung eines Kraftstoff/Luft-Gemisches abdampft.

2. Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (2) und der Verdampfungsraum (8) eine gemeinsame Wand (9) haben.

3. Zweitaktmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (10) in der der heißen Wand (9) gegenüberliegenden Wand des Verdampfungsraumes (8) angeordnet ist.

4. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzstrahl der Einspritzdüse (10) zur Wand (9) geneigt liegt.

5. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungsraum (8) oberhalb des Ansaugkanals (22) benachbart zum Zylin­ derkopfboden (11) liegt und durch einen schräg abwärts zum Kurbelgehäuse (15) gerichteten Kanal (29) mit dem Brennraum (4) in Verbindung steht.

6. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungsraum (8) als Ausnehmung (28) eines an den Zylinder (2) ange­ bauten Anbauteiles (23) ausgebildet ist.

7. Zweitaktmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Anbauteil (23) auf einen Ansaugstutzenanschluß (24) des Zylinders (2) aufsetzbar ist und eine durchgehende Ansaugkanalbohrung (22) aufweist.

8. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungsraum (8) über mindestens eine Schlauchleitung (27) mit dem Kur­ belgehäuse (15) verbunden ist.