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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Verbrennungsmotoren mit kleinem Hubraum, und insbesondere
U-förmige Zweitakt-Gleichstrommotoren
(Motoren mit Gleichstromspülung)
zur Energieversorgung tragbarer Werkzeuge.
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Kleine Verbrennungsmotoren machen
tragbare Werkzeuge praktisch und leistungsfähig, insbesondere Rasen- und
Gartengeräte
wie Kettensägen, Rasenmäher, Trimmer,
Laubgebläse,
Laubsauger und Rasenrandschneider. Tragbare Geräte werden in der Regel von
Zweitakt-Verbrennungsmotoren betrieben, die normal über Luftansaugung,
Kurbelkastenspülung
Luftkühlung
und Fremdzündung
verfügen.
Diese Motoren liefern mehr Leistung pro Gewicht, sind günstiger
in der Herstellung und Wartung und zuverlässiger als vergleichbare Viertaktmotoren. Außerdem ist
das Schmiersystem kurbelkastengespülter Motoren unabhängig von
der Lage und der Handhabung.
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Allerdings verbrennen Zweitaktmotoren
den Kraftstoff allgemein weniger effizient und stoßen mehr
Schadstoffe aus als vergleichbare Viertaktmotoren. Dies ist teilweise
auf die Tatsache zurück
zu führen,
dass das Kraftstoff/Luftgemisch gleichzeitig in den Zylinder gepumpt
wird, wenn die Abgase aus dem Zylinder ausgelassen werden. Wegen
der kleinen Schleife im Strom des Kraftstoff/Luftgemischs wird ein
Teil des frischen Kraftstoff/Luftgemischs mit den Abgasen in die
Atmosphäre
ausgestoßen,
und ein Teil der Abgase wird im Zylinder mit dem frischen Kraftstoff/Luftgemisch
festgehalten. Das verlorene Kraftstoff/Luftgemisch führt zu einer
reduzierten Kraftstoffeffizienz und erhöhten Kohlenwasserstoffemissionen, und
das eingeschlossene Abgas zu einer weniger effizienten Verbrennung
und geringerem Leistungsausgang.
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Zur Verbesserung der Spülung von
Zweitaktmotoren und damit Verbesserung der Einschlusseffizienz für Leistungszuwächse und
weniger Kraftstoffverluste wurden unterschiedliche Verfahren vorgeschlagen.
Eine Methode ist die "Gleichstromspülung", bei der ein langer,
unidirektionaler Strom von Ansauggasen vom Ansaugkanal zum Abgaskanal geschaffen
wird, der die verbrannten Gase vollständig abführt und den Auslasskanal nicht
vor dessen Schließen
erreicht. Dadurch werden Spülverluste durch
die lange Distanz zwischen den Kanälen reduziert.
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Verständlicherweise ist die Gleichstromspülung gut
geeignet für
Langhubmotoren, wie aufgeladene Schiffsdieselmaschinen mit großer Kapazität. In diesen
Motoren ist der Spülungsverlust
jedoch nur Luft, weil der Kraftstoff eingespritzt wird, nachdem der
Abgaskanal geschlossen ist. Der Abgaskanal ist typischerweise am
Ende des Zylinders angebracht und wird von einem nockenbetriebenen
Tellerventil gesteuert.
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Ein modifizierter Gleichstrommotor,
der als U-förmiger
Gleichstrommotor bezeichnet wird, weist zwei Zylinder auf, die durch
eine gemeinsame Brennkammer verbunden sind. Bei einem Zylinder wird
der Spülkanal
durch eine Steuerkante des Kolbens gesteuert, beim anderen Zylinder
wird der Abgaskanal durch die Steuerkante des Kolbens gesteuert.
Die gemeinsame Brennkammer schafft die lange Distanz zwischen dem
Spül- und
dem Abgaskanal. Diese Konfiguration ermöglicht auch das Schließen des
Abgaskanals vor dem Spülkanal
ohne Verwendung zusätzlicher
Teile, wie beispielsweise Ventile, weil der Spülkanal und die Abgaskanäle von getrennten
Kolben gesteuert werden.
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Mehrere mechanische Verfahren wurden
für U-förmige Gleichstrommotoren
vorgeschlagen. Bei einem Verfahren sind getrennte Kurbelwellen für die Kolben
vorgesehen. Die Kurbelwellen sind mit Zahnrädern oder Ketten gekoppelt.
Die Zylinder sind in einer Ebene senkrecht zu den Rotationsachsen
der Kurbelwellen verbunden. Vgl. beispielsweise US-Patent Nr. 1,470,752,
das ausdrücklich
zur Gänze
in diesen Patentantrag integriert ist.
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Ein weiteres Verfahren beruht auf
einer Kurbelwelle mit zwei an demselben Kurbelzapfen montierten
Pleuelstangen. Die Zylinder sind in einer Ebene parallel zu der
Rotationsachse der Kurbelwelle verbunden. Vgl. beispielsweise US-Patent
Nr. 2,342;900, das ausdrücklich
zur Gänze
in diesen Patentantrag integriert ist.
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Ein weiteres Verfahren beruht auf
einer Kurbelwelle mit einer Anordnung von zwei miteinander verbundenen.
Pleuelstangen. Die Zylinder sind in einer Ebene senkrecht zu der
Rotationsachse der Kurbelwelle verbunden. Vgl. beispielsweise US-Patent Nr.
2,048,243, das ausdrücklich
zur Gänze
in diesen Patentantrag integriert ist.
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Ein weiteres Verfahren beruht auf
einer Kurbelwelle mit zwei durch eine massive, U-förmige Stange
verbundenen Kolben und einer zusätzlichen Stange
zur Verbindung der U-förmigen
Stange mit der Kurbelwelle. Die Zylinder sind in einer Ebene senkrecht
zu der Rotationsachse der Kurbelwelle verbunden. Vgl. beispielsweise
US-Patent Nr. 2,048,243, das ausdrücklich zur Gänze in diesen
Patentantrag integriert ist.
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Ein weiteres Verfahren beruht auf
einer Kurbelwelle und einer einteiligen, gegabelten Pleuelstange,
die die Kolben mit der Kurbelwelle verbindet. Die Zylinder sind
in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse der Kurbelwelle verbunden. Vgl.
beispielsweise US-Patent Nr. 1,474,591 und 4,079,705, die ausdrücklich zur
Gänze in
diesen Patentantrag integriert sind.
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Schließlich zeigt der Europäische Patentantrag
Nr. 0 021 170 A1 einen Zylinderblock mit zwei Zylindern, die durch
eine gemeinsame Brennkammer verbunden sind. Innerhalb jedes Zylinders
ist ein Kolben für
eine reziproke, lineare Bewegung darin montiert. Eine Kurbelwelle
mit einem Kurbelzapfen ist mit einer einstückigen, gegabelten Pleuelstange
verbunden, die jeden Kolben mit dem Kurbelzapfen verbindet.
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Jedes dieser mechanischen Verfahren
für U-förmige Gleichstrommotoren
erhöht
die Effizienz schleifengespülter
Motoren. Sie haben jedoch Probleme gemeinsam, die eine erfolgreiche
Anwendung in der Massenproduktion verhindern, wie beispielsweise
exzessive reziprozierende Massen, die übermäßige Vibration verursachen
und die Zuverlässigkeit
beeinträchtigen.
Außerdem
benötigen
die Motoren zu viele Teile und sind zu kompliziert in der Herstellung
und/oder in der Montage. Zudem sind die Motoren mit gegabelten Pleuelstangen
hochvolumige Motoren mit langen und schweren Pleuelstangen und sehr
ineffiziente Motoren mit Höchstdrehzahlen von
etwa 1500 UpM und bescheidenen Leistungsausgängen von etwa 9,3 PS/Liter.
Es besteht demnach in der Branche ein Bedürfnis nach verbesserten U-förmigen Zeitakt-Gleichstrommotoren,
die sich für den
Betrieb einer tragbaren Werkzeugmaschine eignen, ein relativ geringes
Vibrationsniveau aufweisen, Drehzahlen bis zu 1200 UpM mit Leistungsausgängen bis
zu 40 PS/Liter aushalten und sich durch höhere Zuverlässigkeit auszeichnen.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, einen Gleichstrommotor für eine tragbare Werkzeugmaschine
mit erhöhter
Einschlusseffizienz und geringerem Ausstoß unverbrannter Kohlenwasserstoffe
in die Atmosphäre
zu offenbaren.
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Dieses technische Problem wird mit
einem Gleichstrommotor für
eine tragbare Werkzeugmaschine gelöst, der die Merkmale des Oberbegriffs
von Anspruch 1 aufweist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst der Gleichstrommotor einen Zylinderblock, der erste und
zweite Zylinder ausbildet, und eine gemeinsame Brennkammer, die
den ersten und zweiten Zylinder verbindet. Ein erster und zweiter
Kolben sind für
eine reziproke, lineare Bewegung im ersten bzw. zweiten Zylinder
montiert. Der Motor umfasst auch eine Kurbelwelle mit einem Kurbelzapfen
und einer Pleuelstange, bei der es sich vorzugsweise um eine einstückige, gegabelte
Ausführung
handelt, die den ersten und zweiten Kolben je mit dem Kurbelzapfen
verbindet. Der erste und der zweite Zylinder sind parallel und durch
eine gemeinsame Mittelwand getrennt. Die Mittelwand weist einen
Schlitz für
die Passage der Pleuelstange durch diesen hindurch sowie angewinkelte
Kerben auf, welche Maximalwinkeln der Pleuelstange entsprechen,
um die Schlitzlänge
zu minimieren.
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Die Pleuelstange ist vorteilhafterweise
auf elastische Weise flexibel, um Variationen zwischen einer Maximaldistanz
zwischen den Kolbenbolzen des ersten und zweiten Kolbens und einer
Minimaldistanz zwischen den Kolbenbolzen des ersten und zweiten
Kolbens aufzunehmen. Die Pleuelstange kann sich in einem entspannten
Zustand zwischen der Maximaldistanz und der Minimaldistanz befinden. Vorzugsweise
befindet sich die Pleuelstange im entspannten Zustand etwa in der
Mitte zwischen der Maximaldistanz und der Minimaldistanz. So wird
die Biegebelastung in der Pleuelstange minimiert und damit ihre
Nutzlebensdauer verlängert.
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Nach weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung
sind das Gewicht und die Länge
der Pleuelstange minimiert und der Unterschied zwischen den Maximal-
und Minimaldistanzen zwischen den Kolbenbolzen wird minimiert, um
Vibrationen zu reduzieren und den Motorleistungsausgang durch Erhaltung
einer hohen Kurbelkastenkompression zu steigern.
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Diese und weitere Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden ersichtlich durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung
und die Zeichnungen eines besonderen Ausführungsbeispiels:
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1 ist
eine Seitenaufrissansicht im Querschnitt eines Arbeitskopfes für eine tragbare
Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Draufsicht, teilweise im Querschnitt, entlang der Linie 2-2
der 1, wobei die Kolben
aus Deutlichkeitsgründen
entfernt wurden.
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3 ist
eine Rückaufrissansicht,
teilweise im Querschnitt, entlang der Linie 3-3 der 1;
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4 ist
eine Vorderaufrissansicht einer durchgebogenen Pleuelstange für einen
U-förmigen Zweitakt-Gleichstrommotor
des Arbeitskopfes der 1;
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5 ist
eine Seitenaufrissansicht der durchgebogenen Pleuelstange der 4;
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6A bis 6H sind Querschnittansichten vergleichbar
der 3, in denen auf
diagrammatische Weise der U-förmige
Zweitakt-Gleichstrommotor des Arbeitskopfes der 1 während
aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten dargestellt ist;
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7 ist
eine Seitenaufrissansicht im Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines Arbeitskopfes für
eine tragbare Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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8 ist
eine vergrößerte Draufsicht,
teilweise im Querschnitt, entlang der Linie 8-8 der 7, aus der einige Komponenten entfernt
wurden, um die Deutlichkeit zu verbessern.
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In 1–3 ist ein Arbeitskopf 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt, der zum Betrieb tragbarer Werkzeugmaschinen
verwendet wird, wie sie in der Forstwirtschaft, für Rasen-
und Gartenanwendungen zum Einsatz kommen. Zu solchen tragbaren Werkzeugmaschinen
zählen
Kettensägen,
Rasenmäher,
Laubgebläse,
Laubsauger, Trimmer, Schneegebläse,
Rasenkantenschneider, Heckenscheren und ähnliche. Der Arbeitskopf 10 umfasst
einen Verbrennungsmotor 12, einen Ventilator bzw. ein Schwungrad 14,
ein Hauptgehäuse 16,
eine Aufwickel-Starteranlage 18 und eine Fliehkraftkupplungsanordnung 20.
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Der Verbrennungsmotor 12 ist
ein Zweizylinder-Zweitakt-Gleichstrommotor,
der eine Rotationskraft liefert. Der Motor 12 umfasst einen
Zylinderblock 22, eine Zündkerze 24, einen
Schalldämpfer 26,
einen Kurbelkasten 28, eine Kurbelwelle 30, Pleuelstange 32,
erste und zweite Kolben 34, 36 und einen Vergaser 38.
Der Zylinderblock 22 umfasst eine Mehrzahl von Kühlrippen 40,
die um den Außenumfang
des Zylinderblocks 22 zum Kühlen des Motors 12 angebracht
sind. Der Zylinderblock 22 umfasst "siamesische" erste und zweite Zylinder 42, 44,
um einen Gleichstrommotor zu bilden. Der erste und zweite Zylinder 42, 44 sind
an einem Ende durch eine gemeinsame Brennkammer 46 verbunden.
Die Zündkerze 24 ist
am Zylinderblock 22 montiert und erstreckt sich in die
Brennkammer 46. Die Mittellinien der Zylinder 42, 44 sind
im wesentlichen parallel und in einer Ebene senkrecht zur Kurbelwelle 30 beabstandet.
Der Zylinderblock 22 ist vorzugsweise als einzelnes, integriertes
Stück mit
einer Mittelwand 48 ausgeführt, die den ersten und zweiten
Zylinder 42, 44 trennt. Der Zylinderblock 22 ist
vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung gefertigt.
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Der erste oder Spülzylinder 42 weist
eine Mehrzahl von Spülkanälen oder
-fenstern 50 auf, die von einer Mehrzahl von axial verlaufenden
Transferkanälen 52a, 52b und 52c gebildet
werden, die entlang dem Innendurchmesser des ersten Zylinders 42 angeordnet
sind (am besten ersichtlich aus 2 und 3). Die Transferkanäle 52a, 52b und 52c sind
außenumfänglich um
den Durchmesser des ersten Zylinders 42 herum beabstandet.
Die Oberkante des ersten oder Spülkolbens 34 exponiert
einen oberen Abschnitt der Transferkanäle 52a, 52b, 52c,
um die Spülfenster 50 nahe
dem Tiefpunkt des Kolbenhubs zu bilden oder zu öffnen, und deckt den oberen
Abschnitt der Transferkanäle 52a, 52b und 52c ab,
um die Spülfenster. 50 nahe
dem Höhepunkt
des Kolbenhubs zu schließen.
Die Transferkanäle 52a, 52b und 52c sind
im wesentlichen parallel zu der Mittellinie des ersten Zylinders 42 und
erstrecken sich zum offenen Ende des Zylinderblocks 22.
Einer der Transferkanäle 52a ist
ein Hilfstransferkanal und als solcher kleiner als die anderen Transferkanäle 52b, 52c, bei
denen es sich um Haupttransferkanäle handelt. Der Hilfstransferkanal 52a erzeugt
im Spülzylinder 42 einen
Wirbel, der die Spülung
während
dem Betrieb des Motors 12 verbessert. Dieser Hilfskanal 52a öffnet sich
zudem etwas später
als die Hauptkanäle 52b und 52c.
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Der zweite oder Abgaszylinder 44 hat
einen Abgaskanal oder ein Abgasfenster 54. Die Oberkante
des zweiten oder Abgaskolbens 36 öffnet das Abgasfenster 54 nahe
dem unteren Ende des Kolbenhubs und schließt das Abgasfenster 54 nahe
dem oberen Ende des Kolbenhubs. Der Schalldämpfer 26 ist an der
Seite des Zylinderblocks 22 montiert und mit dem Abgasfenster 54 gekoppelt,
so dass der Schalldämpfer 26 in
Fluidkommunikation mit dem Abgaszylinder 44 steht. Der
Schalldämpfer 26 empfängt Abgase
vom Abgaszylinder 44 und stößt sie bei niedrigerem Druck
und allgemein weg vom Betreiber der tragbaren Maschine aus.
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Der Kurbelkasten 28 ist
so konfiguriert, dass er die Kurbelwelle 30 trägt und das
obere Ende des Zylinderblocks 22 im allgemeinen schließt. Der
Zylinderblock 22 ist mittels der Bolzen 56, die
sich durch Löcher
in einem Flansch 58 des Zylinderblocks 22 erstrecken,
mit dem Kurbelkasten 28 verbunden. Der Kurbelkasten 28 umfasst
an einem Ende eine im allgemeinen rohrförmige Lagerhalterung 60 und
weist an dem der Lagerhalterung 60 gegenüberliegenden Ende
eine Öffnung
auf. Die Kurbelwelle 28 ist vorzugsweise aus Magnesium
oder einem anderen geeigneten leichtgewichtigen Material gebildet.
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Die Kurbelwelle 30 erstreckt
sich auswärts vom
Kurbelkasten 28 und liegt zur Rotation auf einem Paar Lagern 62 einseitig
befestigt auf. Die Lager 62 sind zusammen mit einer Dichtung 64 innerhalb
der Lagerhalterung 60 des Kurbelkastens 28 montiert. Ein
Gegengewicht 66 ist an einem Ende der Kurbelwelle 30 im
Kurbelkasten 28 angebracht. An dem Gegengewicht 66 ist
ein exzentrischer Kurbelzapfen 68 befestigt. Der Kurbelzapfen 68 erstreckt
sich vom Gegengewicht 66 parallel zur und von der Rotationsachse
der Kurbelwelle 30 versetzt.
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Die Pleuelstange 32, die
weiter unten detaillierter erörtert
wird, ist "V-förmig" oder "gegabelt" und verbindet den
Kurbelzapfen 68 mit dem ersten und zweiten Kolben 34, 36,
die im ersten oder Spül-
bzw. zweiten oder Abgaszylinder 42,
44 untergebracht sind
(beste Darstellung in 3).
Die Fleuelstange 32 ist am Kurbelzapfen 68 mit
einem Lager 70 befestigt, das von der Pleuelstange 32 getragen
wird und den Kurbelzapfen 68 aufnimmt. Die Pleuelstange 32 ist
an den Kolben 34, 36 mit den Lagern 72 befestigt, die
von der Pleuelstange 32 und den Aufnahme- oder Kolbenbolzen 74, 76 des
ersten bzw. zweiten Kolbens 34, 36 getragen werden.
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Die Rotationsachse der Kurbelwelle 30 ist von
der Mittellinie des Zylinderblocks 22 gegen den Abgaszylinder 44 versetzt
(beste Darstellung in 3).
Diese Versetzung resultiert in einem kinematischen Phänomen, wobei
der Weg der Kolben 34, 36 länger ist als der Hub der Kurbelwelle 30.
Die Versetzung ergibt zudem einen beträchtlichen Vorsprung des Abgaskolbens 36 vor
dem Spülkolben 34,
so dass eine größere Fläche des
Abgasfensters 54 geöffnet
wird, bevor die Spülfester 50 geöffnet werden. Dies
erhöht
die Einschlusseffizienz und reduziert den Ausstoß unverbrannter Kohlenwasserstoffe
in die Atmosphäre.
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Die Versetzung schafft allerdings
scharfe Winkel der Pleuelstange 32, wodurch es zu erhöhten Friktionskräften der
Kolben 34, 36 gegen die Zylinder 42, 44 kommt.
Zu den schärfsten
Winkeln kommt es bei etwa 80 Grad, bevor und nachdem dem Kurbelzapfen 68 sich
am oberen Totpunkt befindet. Wie weiter unten näher diskutiert, schafft das
Design der Pleuelstange 32 eine Federkraft, die der Schubrichtung
eines der Kolben 34, 36 entgegengesetzt ist, um die
Mächtigkeit
der Nettoschubkraft zu reduzieren und damit die Innenreibung des
Motors zu reduzieren. Die Versetzung verursacht auch einen unerwünschten
Schlitz 77 in der Mittelwand 48 zum Durchgehen
der Pleuelstange 32. Die Länge des Schlitzes 77 wird
minimiert durch gegenüberliegende angewinkelte
Kerben 78 am unteren Ende der Mittelwand 48, die
den extremsten Winkeln der Pleuelstange 32 entsprechen.
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Ein Lamellenblock 79 ist
am Kurbelkasten 28 montiert und schließt die Öffnung am Ende des Kurbelkastens 28 gegenüber der
Lagerhalterung 60. Der Lamellenblock 79 umfasst
ein Lamellenventil 80, das sich gemäß dem Druck im Kurbelkasten 28 öffnet und
schließt.
Der Lamellenblock 79 trägt
den Vergaser 38, der die durch den Luftfilter 82 angesaugte
Luft mit einer Kraftstoff-Öl-Mischung
aus einem (nicht dargestellten) Kraftstofftank mischt. Der Vergaser 38 versorgt
den Kurbelkasten 28 mit der resultierenden Ladung, wenn
sich das Lamellenventil 80 öffnet. Alternativ kann der
Motor 12 mit einem dritten Kanal- oder Fenstersystem konfiguriert
werden, indem der Lamellenblock 79 durch einen Stöpsel ersetzt
wird und der Vergaser 38 am Zylinderblock 22 montiert und
mit einem Einlasskanal im unteren Abschnitt eines der Zylinder 42, 44 gekoppelt
wird (Darstellung in 7 und 8).
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Das Schwungrad 14 ist an
der Kurbelwelle 30 für
eine Rotation mit dieser außerhalb
des und angrenzend an den Kurbelkasten s) 28 montiert.
Das Schwungrad 14 ist von konventioneller Ausführung und
umfasst eine Mehrzahl von Zentrifugal-Verdichterradblättern. Das
Hauptgehäuse
bildet eine Spirale, so dass das Schwungrad 14 Kühlluft ansaugt
und über
die Kühlrippen 40 des
Zylinderblocks 22 bläst, um
die von der Verbrennung generierte Hitze abzuführen.
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Die Aufwickel-Startanlage 18 ist
angrenzend an das Schwungrad 14 angeordnet und umfasst
ein Startergehäuse 84,
das am Hauptgehäuse 16 befestigt
ist. Das Startergehäuse 18 ist
mit einem rohrförmigen
Montageabschnitt 86 versehen, der sich um die Kurbelwelle 30 angrenzend
an das Schwungrad 14 erstreckt. Eine Starterrolle 88 ist
am Montageabschnitt 86 des Startergehäuses 84 drehbar gelagert und
an diesem verschiebbar montiert. Die Starterrolle 88 ist
an die Kurbelwelle 30 des Motors mit einer federgespannten
Klinke oder Nase 90 gekoppelt, so dass eine Rotation der
Starterrolle 88 die Kurbelwelle 30 dreht, wenn
der Motor 12 ruht, jedoch von der Kurbelwelle 30 trennt,
wenn der Motor 12 läuft.
Ein (nicht dargestelltes) Starterseil läuft durch eine Öffnung im Startergehäuse 84 und
um die Starterrolle 88 herum und verbindet einen (nicht
dargestellten) Startergriff mit der Starterrolle 88. Die
Bedienperson zieht auf herkömmliche
Weise am Starterseil, um den Motor 12 zu starten. Die Starterrolle 88 ist
operativ mit einem Aufroll-Federelement 92 verbunden, das
das Seil auf der Starterrolle 88 wieder aufwickelt.
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Die Fliehkraftkupplungsanordnung 20 ist
angrenzend an den Startmechanismus 18 angeordnet und an
das freie Ende der einseitig gelagerten Kurbelwelle 30 gekoppelt.
Die Kupplungsanordnung 20 umfasst ein Kupplungsgehäuse 94,
Kupplungsbacken 96 und eine Kupplungstrommel 98.
Das Kupplungsgehäuse 94 ist
am Hauptgehäuse 16 mit Schrauben 100 montiert,
wobei das Startergehäuse 84 dazwischen
angebracht ist. Die Kupplungsbacken 96 sind mit der Kurbelwelle 30 zur
Rotation mit derselben verbunden und in eine zurückgezogene Position federgespannt,
in der sie nicht mit der Kupplungstrommel 98 verbunden
sind. Bei einer bestimmten Drehzahl der Kurbelwelle 30,
die über
der Leerlaufdrehzahl liegt, werden die Kupplungsbacken 96 radial
auswärts
in eine erweiterte Position bewegt, in der sie Kontakt mit der Kupplungstrommel 98 aufnehmen
und diese mit sich rotieren. Die Spannung der Federn wird von Zentrifugalkräften überwunden,
die durch die Rotation der Kurbelwelle 30 entstehen. Die Kupplungstrommel
liegt im Kupplungsgehäuse 94 drehbar
auf einem Lager 102 auf und besitzt eine Kopplung 104 zum
Anschluss einer (nicht dargestellten) Antriebswelle der tragbaren
Werkzeugmaschine.
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Ein Zündmodul 106 ist am
Zylinderblock 22 in großer Nähe zum Schwungrad 14 montiert.
Ein Magnet auf dem Schwungrad 14 erregt das Zündmodul 106 zur
Erzeugung einer elektrischen Ladung, die auf die Zündkerze 24 übertragen
wird. Die Zündkerze 24 erzeugt
in der Brennkammer 46 als Reaktion auf die elektrische
Ladung einen Funken und zündet
das Kraftstoff/Luftgemisch, das sich in der Brennkammer 46 befindet.
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Der erste Kolben 34 ist
für eine
reziproke Translationsbewegung im Spülzylinder 42 montiert. Gleicherweise
ist der zweite Kolben 36 für eine reziproke Translationsbewegung
im Abgaszylinder 44 montiert. Die Distanz zwischen den
Zapfen 74, 76 der Kolben 34, 36 variiert
während
eines Zyklus, wobei eine Mindestdistanz erreicht wird, wenn der
Kurbelzapfen 68 sich etwa am oberen Totpunkt (TDC) und
etwa am unteren Totpunkt (BDC) befindet, und eine Maximaldistanz,
wenn der Kurbelzapfen 68 sich etwa 80 Grad vor
und nach dem TDC befindet. Die Kolben, 34, 36 sind
mit der Kurbelwelle 30 durch die einstückige Pleuelstange 32 verbunden,
wie oben erörtert.
Folglich muss sich die Pleuelstange 32 elastisch biegen,
wenn der Abstand zwischen den Kolbenbolzen 74, 76 von
der Maximaldistanz zur Minimaldistanz variiert, während die
Kolben 34, 36 in den Zylindern 42, 44 ihren
Zyklus ausführen.
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Wie am besten in 4 und 5 dargestellt, hat
die Pleuelstange 32 einen im allgemeinen zylinderförmigen Kurbelwellenvorsprung 108,
zylinderförmige
erste und zweite Kolbenvorsprünge 110, 112 und
erste und zweite Pleuelarme 114,
116, welche die
Kolbenvorsprünge 110, 112 mit
dem Kurbelwellenvorsprung 108 verbinden. Der Kurbelwellenvorsprung 108 bildet
eine Öffnung 118,
die zur Aufnahme des Lagers 70 in Presspassung dimensioniert
ist. Die Kolbenvorsprünge 110, 112 bilden
ebenfalls jeweils eine Öffnung 120,
die zur Aufnahme eines der Lager 72 in Presspassung dimensioniert
ist. Die Pleuelarme 114, 116 sind annähernd tangential
zu der Öffnung 118 im
Kurbelwellenvorsprung 108 angeordnet, so dass die erforderliche
Größe des Schlitzes 77 im
Zylinderblock 22 minimiert, wird. Die Pleuelarme 114, 116 sind
so ausgeführt,
dass sie die Kolbenkraft ,unterstützen, doch ausreichend elastisch, um
sich zu biegen, wenn der Abstand zwischen den Kurbelzapfen 74, 76 von
der Maximaldistanz zu der Minimaldistanz variiert. Der Kurbelwellenvorsprung 108 hat
eine Breite in Richtung parallel zu der Öffnung 118, die größer ist
als die Breite der Kolbenvorsprünge 110, 112 in
Richtung parallel zu den Öffnungen 120.
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Die Pleuelarme 114, 116 haben
im allgemeinen einen rechteckigen Querschnitt, wobei die Breite in
Richtung parallel zu der Mittellinie der Öffnungen 118, 120 größer ist
als die Breite in Richtung senkrecht zu der Mittellinie der Öffnungen 118, 120.
Die Breite der Pleuelarme 114, 116 in Richtung
parallel zu der Mittellinie der Öffnungen 118, 120 verringert sich
von der Breite des Kurbelwellenvorsprungs 108 zu der Breite
der Kolbenvorsprünge 110, 112.
Auch die Arme sind konisch, um die Biegebelastungen entlang dem
Teil auszugleichen.
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Es ist zu beachten, dass die Pleuelarme 114; 116 seitlich
in gleichen Abständen
von der Mittellinie des Kurbelwellenvorsprungs 108 angeordnet
sind. Deshalb ist die Pleuelstange 32 symmetrisch um eine mittlere
Ebene angeordnet, welche die Mittellinie des Kurbelwellenvorsprungs 108 enthält. Diese
Konfigurtion der Pleuelstange 32 gilt für den abgebildeten Motor 12,
der die beiden Kolben 34, 36 von allgemein gleicher
Größe besitzt.
Wenn Kolben unterschiedlicher Größe benützt werden,
werden die Pleuelarme 114, 116 seitlich auf die
Mittellinie des Kurbelwellenvorsprungs (Kurbelzapfen) 108 zu
oder von dieser weg bewegt, um das vom Druck der Verbrennungsgase
in ungleich dimensionierten Zylindern erzeugte Moment auszugleichen.
Deshalb wäre
die Pleuelstange nicht symmetrisch um die mittlere Ebene, welche
die Mittellinie des Kurbelwellenvorsprungs enthält. Dieser Zustand verhindert
eine unerwünschte Biegung
der Stange um den Kurbelzapfen.
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Die Pleuelstange 32 ist
vorzugsweise aus Aluminiumlegierungen oder anderen geeigneten leichtgewichtigen
und belastbaren Materialien gebildet, wie beispielsweise Titan.
Die Pleuelstange 32 ist ebenfalls so dimensioniert und
geformt, dass sie so klein und leichtgewichtig wie möglich ist,
um Vibrationen zu reduzieren und so kurz wie möglich, um die Kurbelkastenkompression
und damit den Leistungsausgang des Motors zu verbessern. Die Pleuelstange 32 sollte
innerhalb elastischer Grenzen funktionieren, doch eine unendliche
Ermüdungslebensdauer haben.
Diese Merkmäle
der Pleuelstange 32 werden erreicht, indem die Pleuelstange 32 so
ausgeführt
ist, dass die Variation in der Distanz zwischen den Kolbenbolzen 74, 76 mit
bilateralen Biegungen absorbiert wird. Die bilaterale Biegung reduziert
die Belastungen in den Pleuelarmen 114, 116 und
auch die Friktionskräfte
der Kolben 34, 36 gegen die Zylinder 42, 44,
wie oben festgestellt. Damit kann die Pleuelstange 32 ein
höheres
Biegungs/Längenverhältnis annehmen.
Außerdem
ist der Motor 12 vorzugsweise mit einem Hub-Bohrungs-Verhältnis ausgeführt, das die
Differenz zwischen den Maximal- und Minimaldistanzen zwischen den
Kolbenbolzen 74, 76 minimiert.
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Wie am besten in 4 dargestellt, wird die bilaterale Biegung
der Pleuelarme 114, 116 durch eine Dimensionierung
der Pleuelstange 32 auf eine Weise erreicht, dass der Frei-
bzw. Entspannungszustand der Pleuelstange 32 zwischen der
maximal erforderlichen und der minimal erforderlichen Spanne liegt.
Vorzugsweise liegt der Entspannungszustand im wesentlichen auf halbem
Weg zwischen der Maximal- und der Minimalspanne. Eine derartige
Dimensionierung der Pleuelstange 32 minimiert die Maximalbiegung
beider Pleuelstangen 114, 116. Wenn beispielsweise
die Differenz zwischen der Maximal- und der Minimalspanne 0,8 mm
beträgt,
ist die Maximalbiegung beider Pleuelarme 114, 116 in
eine Richtung 0,2 mm, wenn der Entspannungszustand auf halbem Weg
zwischen Maximal- und Minimalspanne liegt.
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Die bevorzugten Schritte zur Konstruktion der
Pleuelstange 32 mit dem Mindestgewicht und der Größe, welche
die herrschenden Kräfte
aufzunehmen vermögen,
sind folgende. Eine Balkenform für die
Pleuelstange 32 wird so ausgewählt, dass sie maximale Knickfestigkeit
und minimale Biegebelastungen bietet. Die erforderliche Knickfestigkeit
der Pleuelarme 114, 116 wird für eine maximale Achskraft über den
Kolbenbolzen 74, 76 berechnet. Vorzugsweise sind
nicht mehr als 50% des kritischen Werts erlaubt. Es ist zu beachten,
dass die maximale Spanne der Kolbenbolzen 74, 76 ein
fester Parameter ist, der von den Bohrungsgrößen und dem Hub des Motors 12 vorgegeben
wird. Deshalb kann die kürzest zulässige Länge für die Pleuelstange 32 berechnet werden,
indem die Belastung bei maximaler Achskraft (Gasdruck) und maximaler Einwärtsbiegung
der Pleuelarme 114, 116 mit der Belastung bei
keiner Achskraft und maximaler Auswärtsbiegung der Pleuelarme 114, 116 ausgeglichen
wird. Es ist zu beachten, dass ein Ausgleich vorzunehmen ist, wenn
das erhaltene Belastungsniveau das Belastungsniveau überschreitet,
welches für
eine unendliche Ermüdungslebenszeit
bei einer bestimmten Länge
und einem bestimmten Material erforderlich ist. Andere angewendete
Konstruktionsrücksichten
sind vorzugsweise glatte Übergangslinien,
keine Belastungen über
50% der Streckgrenze des Materials und fehlerlose Materialstruktur.
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In 6A bis 6H ist ein Arbeitsablauf
des Motors 12 dargestellt. 6A zeigt
den Abgaskolben 36, wenn dieser mit dem Spülkolben 34 eine
maximale obere Position (MUP) erreicht. In 6B ist der Abgaskolben 36 in
Abwärtsbewegung
dargestellt, und der Spülkolben 34,
wenn dieser eine MUP erreicht. Es ist zu beachten, dass der Abgaskolben 36 die
MUP unmittelbar vor dem oberen Totpunkt (TDC) erreicht, und der
Spülkolben 34 die
MUP aufgrund der Versetzung der Kurbelwelle 30 und der
Zylinder 42, 44 unmittelbar nach dem TDC erreicht.
Die Pleuelarme 114, 116 der Pleuelstange 32 sind
etwa beim TDC am wenigsten gespreizt.
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Die komprimierten Gase in der Brennkammer 46 werden
gezündet,
und der Expansionsprozess beginnt. Beide Kolben 34, 36 gehen
abwärts und
rotieren die Kurbelwelle 30 in Richtung. des Uhrzeigersinns
(wie in 6A–6H dargestellt). Während die
Kolben 34, 36 abwärts gehen, biegen sich die Pleuelarme 114, 116 auswärts, bis
die Maximalspanne bei etwa 80 Grad nach dem TDC erreicht ist, woraufhin
die Pleuelarme 114, 116 sich einwärts zu biegen
beginnen. Es ist zu beachten, dass die Pleuelarme 114, 116 auf
etwa dem halben Weg zwischen den Maximal- und Minimalspannen durch
den Entspannungszustand gehen.
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In 6C ist
das Abgasfenster 54 dargestellt, wie es beginnt, sich zu öffnen, während die Oberkante
des Abgaskolbens 36 das Abgasfenster 54 in Abwärtsbewegung
passiert. Bei geöffnetem
Abgasfenster 54 werden verbrannte Gase aus den Zylindern 42, 44 durch
das Abgasfenster 54 in den Schalldämpfer 26 ausgestoßen. In 6D sind die Spülfenster 50 dargestellt,
wie sie sich zu öffnen
beginnen, während
sich die Oberkante des Spülkolbens 34 an
der Oberseite der Transferkanäle 52a, 52b, 52c vorbei
abwärts
bewegt. Es ist zu beachten, dass ein Großteil der verbrannten Gase
in den Schalldämpfer 26 ausgestoßen wird,
bevor sich die Spülfenster 50 öffnen. Bei
geöffnetem
Abgasfenster 54 treten unter Druck gesetzte Ansauggase
vom Kurbelkasten 28 durch die Transferkanäle 52a, 52b, 52c in den
Spülzylinder 42 ein.
Die Ansauggase gehen in den Spülzylinder 42 hinein,
durch die Brennkammer 46 und in den Abgaszylinder 44,
um die Evakuierung verbrannter Gase aus den Zylindern 42, 44 abzuschließen und
die Zylinder 42, 44 mit einer frischen Kraftstoffmischung
zu, befüllen.
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In 6E ist
der Abgaskolben 36 dargestellt, wie er eine maximale untere
Position (MLP) erreicht, und wie der Spülkolben 34 sich abwärts bewegt.
In 6F ist der Abgaskolben 36 in
Aufwärtsbewegung dargestellt,
um mit dem Schließen
des Abgasfensters 54 zu beginnen, und der Spülkolben 34,
wie er eine MLP erreicht. Es ist zu beachten, dass der Abgaskolben 36 die.
MLP unmittelbar vordem BDC erreicht, und der Spülkolben 36 eine MUP
infolge der Versetzung der Kurbelwelle 30 und der Zylinder 42, 44 unmittelbar
nach dem BDC erreicht. Die Pleuelarme 114, 116 der
Pleuelstange 32 befinden sich etwa um den BDC in der Minimalspanne.
Es ist zu beachten, dass die Pleuelarme 114, 116 etwa
auf halbem Weg zwischen den Maximal- und Minimalspannen erneut durch
den Entspannungszustand gehen.
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In 6G ist
das Abgasfenster 54 voll geschlossen dargestellt, während die
Oberkante des Abgaskolbens 36 über die Oberseite des Abgasfensters 54 gehoben
wird. Es ist zu beachten, dass die Spülfenster 50 offen
bleiben, nachdem das Abgasfenster 54 voll geschlossen wurde,
wodurch zusätzliche
frische Kraftstoffmischung die Zylinder 42, 44 zu befüllen vermag
und damit die Einschlusseffizienz des Motors 12 verbessert
wird. In 6H sind die Spülfenster 50 voll
geschlossen dargestellt, während die
Oberkante des Spülkolbens 34 ansteigend
die Oberseite der Transferkanäle 52a, 52b, 52c passiert. Der
Komprimierungsprozess beginnt, wenn beide Kolben 34, 36 weiter
steigen und das frische Kraftstoffgemisch in der Brennkammer 46 komprimieren. Während die
Kolben 34, 36 ansteigen, biegen sich die Pleuelarme 114, 116 auswärts, bis
die Maximalspanne bei etwa 80 Grad vor dem TDC erreicht ist; dann
beginnen die Pleuelarme 114, 116 sich einwärts zu biegen.
Es ist zu beachten, dass die Pleuelarme 114, 116 etwa
auf halbem Weg zwischen der Minimal- und der Maximalspanne durch
den Entspannungszustand gehen.
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Der Abgaskolben 36 steigt
weiter an, bis er die MUP erreicht hat, wie in 6A dargestellt. Die Pleuelarme 114, 116 der
Pleuelstange 32 befinden sich etwa beim TDC in Minimalspanne.
Es ist zu beachten, dass die Pleuelarme 114, 116 etwa
auf halbem Weg zwischen den Maximal- und Minimalspannen erneut durch
den Entspannungszustand gehen. Die beschriebene Ereignissequenz
wird wiederholt, um die Rotation der Kurbelwelle 30 aufrecht
zu erhalten, bis der Betrieb des Motors 12 angehalten wird. Aus
der voranstehenden Beschreibung lässt sich sehen, dass während einer
vollen Umdrehung der Kurbelwelle 30 die Pleuelstange zweimal
die Maximalspanne und zweimal die Minimalspanne erreicht und folglich
viermal durch den Entspannungszustand geht.