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Die vorliegende Erfindung betrifft Zweitaktbrennkraftmaschinen mit
Kurbelkastenspülung, und insbesondere, aber nicht ausschließlich, kleine
Brennkraftmaschinen dieses Typs, die zur Verwendung in handgeführten Produkten wie
Kettensägen, Gartensaugern und dergleichen bestimmt sind.
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Der Zylinder einer Zweitaktbrennkraftmaschine mit Kurbelkastenspülung umfasst
einen Einlasskanal, einen Auslasskanal und einen Überströmkanal, die so angeordnet sind,
dass der Auslasskanal sich vor dem Überströmkanal öffnet und nach diesem schließt. Der
Überströmkanal umfasst im Wesentlichen einen oder mehrere Überströmwege, die den
Zylinder mit dem Kurbelkasten verbinden und so angeordnet sind, dass der Kolben und der
Zylinder während des Motorzyklus die Öffnung und Schließung des stromabwärts gelegenen
Endes der Überströmwege steuern. Dieser Typ Brennkraftmaschine weist einen hermetisch
abgeschlossenen Kurbelkasten auf, der über den Überströmkanal mit dem Zylinder und über
einen Einlasskanal mit der Atmosphäre verbunden ist. Wenn der Kolben im Zylinder den
Kompressionshub durchführt, wird Luft aus der Atmosphäre oder ein
Luft-Kraftstoff-Gemisch durch den Einlasskanal in das Kurbelgehäuse gesaugt, und beim nachfolgenden
Arbeitshub wird diese Luft oder das Luft-Kraftstoff-Gemisch vom Kolben komprimiert.
Während der Kolben sich weiterbewegt, gibt er das stromabwärts gelegene Ende des
Überströmkanals frei, und die Luft oder das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird in den Zylinder
gepresst.
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Das Überströmen von Luft oder Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder erfolgt nur
dann, wenn zwischen dem Kurbelkasten und dem Zylinder eine positive Druckdifferenz
besteht. Die frische Ladung Luft oder Luft-Kraftstoff-Gemisch, die in den Zylinder eintritt,
bewirkt, dass das Restgas über den Auslasskanal aus dem Zylinder verdrängt wird. Während
dieses Zylinderspülvorgangs strömt ein Teil der Luft oder des Luft-Kraftstoff-Gemischs, das
in den Zylinder eingetreten ist, über den Auslasskanal aus dem Zylinder aus. Die Ladung,
die auf diese Weise verloren geht, wird allgemein als Spülverlust bezeichnet. Dieser
Ladungsverlust kann im Motorzyklus auch während der Periode zwischen dem Schließen
des Überströmkanals und dem Schließen des Auslasskanals auftreten. Diese Periode ist als
"Einfangperiode" bekannt, und die entsprechenden Verluste werden allgemein als
"Einfangverluste" bezeichnet.
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Zweitaktbrennkraftmaschinen für den Einbau in kleinen Motorrädern, Motorrollern
und dergleichen sind mit einem Vergaser versehen, der eine Kraftstoffmenge in den
Einlasskanal abgibt, die mit der Luftdurchflussmenge durch diesen Kanal in Beziehung
steht. Das bedeutet, dass das ganze Luft-Kraftstoff-Gemisch, das in den Kurbelkasten und
danach in den Zylinder eintritt, ein im Wesentlichen homogenes Gemisch aus Luft und
Kraftstorf ist. Das bedeutet wiederum, dass auch der Teil der Spülluft, der durch den
Auslasskanal ausströmt, Kraftstoff enthält. Dies führt dazu, dass die Emission von
unverbrannten Kohlenwasserstoffen bei diesen Motoren relativ hoch ist.
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Kleine Zweitaktbrennkraftmaschinen, insbesondere solche, die in handgeführten
Produkten verwendet werden, unterliegen zunehmend strenger werdenden Vorschriften zur
Begrenzung des Schadstoffausstoßes und bezüglich der Haltbarkeit. Noch strengere
Vorschriften sind in naher Zukunft in den USA zu erwarten, und diese Vorschriften werden
für solche kleinen Brennkraftmaschinen besonders streng sein und nicht nur Grenzwerte für
unverbrannte Kohlenwasserstoffe (KW) und Kohlenmonoxid (CO) umfassen, sondern auch
für die Emission von Partikeln. Keine kleine Brennkraftmaschine, die zurzeit verfügbar ist,
ist in der Lage, diese Vorschriften, die in den USA eingerührt werden sollen, ohne
Schadstoffkontrollvorrichtung, wie z. B. einen Oxidationskatalysator einzuhalten. Es ist auch
anzumerken, dass bei kleinen Brennkraftmaschinen dieses Typs bei zwei
Brennkraftmaschinen, die nominell identisch sind, bezüglich der Kohlenwasserstoffemissionen
eine Schwankung von bis zu 25% auftreten kann. Die Motorhersteller sträuben sich aber,
Katalysatoren und/oder andere potentiell kostspielige Schadstoffkontrollvorrichtungen zu
verwenden und benötigen eine Lösung, die mit minimalen oder keinen Kostenauswirkungen
verbunden ist. Wenn trotz Implementierung sonstiger Emissionsminderungstechnologien ein
Katalysator erforderlich sein sollte, muss die Katalysatorbelastung minimiert werden, damit
die Größe und die Kosten des Katalysators reduziert, jede Erhöhung der Abgastemperatur
minimiert und die Haltbarkeit des Katalysators erhöht werden können.
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Die Emission von Zweitaktbrennkraftmaschinen unter Hochlast, d. h. wenn das
Drosselventil weit geöffnet ist, ist nach den neuen Schadstoffbegrenzungsvorschriften für die
Zulassung solcher Brennkraftmaschinen entscheidend, insbesondere bei
Brennkraftmaschinen, die für handgeführte Geräte bestimmt sind. Unter Hochlast werden auch die
maximalen Katalysator-Abgastemperaturen erreicht, bei denen der maximale thermische
Abbau des Katalysators auftritt. Folglich muss sich jeder Versuch, die Emissionen eines
Brennkraftmotors zu reduzieren, auf die Emissionen bei Hochlast konzentrieren, da die
Emissionen bei niedriger Last von wesentlich geringerer Bedeutung sind.
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Aufgrund der größeren Signifikanz der Emissionen bei Hochlast bei
Zweitaktbrennkraftmaschinen für handgeführte Geräten sind in der Praxis nur zwei
Technologien verfügbar, die realistischerweise in der Lage sind, die KW-Emissionen bei
Hochlast auf ein akzeptables Niveau zu senken, nämlich die katalytische Nachbehandlung
und die Schichtladung. Die katalytische Nachbehandlung, bei der die Abgase einem
Oxidationskatalysator ausgesetzt werden, wurde oben erwähnt. Ein Katalysator kann auch
erforderlich sein, um die CO-Emissionen zu reduzieren, doch wird davon ausgegangen, dass
die Forderungen der zu erwartenden US-Vorschriften auch ohne Katalysator erfüllt werden
können, wenn die Brennkraftmaschine so geregelt wird, dass sie mit einem magereren
Gemisch läuft. Es ist auch möglich, die zu erwartenden US-Vorschriften für KW-
Emissionen mit einem Katalysator zu erfüllen, doch die Lebensdauer eines Katalysators
kann ein Problem darstellen, wenn die Ladung, welcher der Katalysator ausgesetzt wird,
nicht reduziert wird, indem der KW-Gehalt des aus den Zylindern der Brennkraftmaschine
austretenden Abgases reduziert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die Reduzierung der
KW-Ladung des Katalysators dazu beiträgt, die Größe und die Kosten des Katalysators zu
reduzieren, die Erwärmung der Abgase durch die Katalyse zu minimieren, die Lebensdauer
des Katalysators zu erhöhen und den Einfluss des Katalysators auf die Abgasregelung zu
verringern. Die Schichtladung besteht bekanntlich darin, das Einlasssystem der
Brennkraftmaschine so anzuordnen, dass das in den Zylinder eintretende Luft-Kraftstoff-
Gemisch nicht homogen ist, und zwar derart, dass während des Spül- und Einfangvorgangs
im Wesentlichen nur reine Luft und eine minimale Kraftstoffmenge direkt aus dem Zylinder
in den Auslasskanal ausströmen kann.
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Dies kann erreicht werden, indem der Motor mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung
versehen wird, d. h. mit einer Einspritzdüse, die direkt mit dem Zylinder verbunden ist und
von einer elektronischen Steuerung gesteuert wird, die vorgesehen wird, um zu
gewährleisten, dass die korrekte Kraftstoffmenge in den Zylinder eingespritzt wird, nachdem der
Auslasskanal geschlossen wurde. Obwohl sie effektiv ist, ist diese Problemlösung teuer, da
sie die Bereitstellung einer drehzahl- und lastabhängigen elektronischen Steuerung und einer
Einspritzdüse erfordert, weshalb sie in kleinen, billigen Motoren nicht akzeptabel ist.
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GB-A-2290349 offenbart einen weiteren Versuch, um dieses Problem zu lösen. Diese
Patentschrift offenbart eine Brennkraftmaschine mit Kurbelkastenspülung und einer so
genannten Überströmkanal-Schichtladung. Die Brennkraftmaschine, die in dieser
Vorveröffentlichung offenbart wird, umfasst einen Überströmkanal, der durch zwei oder mehr
Überströmwege gebildet wird, wobei nur in einen davon Kraftstoff dosiert wird. Der oder
die anderen Überströmwege stehen mit dem Inneren des Zylinders an einer Stelle in
Verbindung, die von der Kurbelwellenachse weiter entfernt ist. In Betrieb wird im
Wesentlichen ständig Kraftstoff in den einen Überströmweg dosiert, in einer Menge, die
vom Luftmengendurchfluss durch den Einlassweg in den Kurbelkasten abhängig ist. Wenn
der Kolben seinen Auspuffhub durchführt, wird der Auslasskanal als erstes vom Kolben
freigegeben, und danach wird (werden) der (die) andere(n) Überlaufweg(e) freigegeben.
Kurz danach wird der Überlaufweg, in den der Kraftstoff dosiert wird, freigegeben, und die
Luft-Kraftstoff-Ladung wird in den Zylinder geleitet. Die Spülung wird vorwiegend mit der
reinen Luft durchgeführt, die durch den oder die anderen Überlaufweg(e) eingeleitet wurde,
wodurch die Menge des unverbrannten Kraftstoffs, der während des Spülvorgangs direkt
durch den Zylinder in den Auslasskanal ausströmt, reduziert wird.
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Tests haben gezeigt, dass ein Motor des in der GB-A-2290349 offenbarten Typs unter
hoher Last unverbrannte KW-Emissionen aufweist, die im Vergleich zu konventionellen
Motoren um etwa 50% geringer sind. Doch mit abnehmender Motorlast nimmt auch die
Reduzierung der unverbrannten KW-Emissionen ab, bis bei einer Drosselklappenöffnung
von etwa 40% keine Verbesserung mehr festzustellen ist. Wenn die Drosselklappe weiter
geschlossen wird, nehmen die unverbrannten KW-Emissionen im Vergleich zu einer
Zweitaktbrennmaschine mit homogener Ladung sogar zu. Dies ist wohl darauf
zurückzuführen, dass bei niedrigen Motorlasten ein Teil der Luft-Kraftstoff-Ladung auf
direktem Wege entlang der Oberseite des Kolbens direkt in den Auslasskanal strömt.
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Ein weiteres bedeutsames Problem bei der in GB-A-2290349 offenbarten
Brennkraftmaschine betrifft die Kraftstoffdosiervorrichtung, die sich erheblich von einem
konventionellen Vergaser unterscheidet. Diese Abweichung von der bekannten
Vergasertechnologie bedeutet aber, dass die Kraftstoffdosiervorrichtung erheblich teurer in
der Herstellung ist, und in der Praxis hat es sich herausgestellt, dass es sehr schwierig ist,
eine Kraftstoffdosiervorrichtung zu konstruieren, die im gesamten Betriebsbereich des
Motors die korrekte Kraftstoffmenge abgibt.
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Daher wird davon ausgegangen, dass die Lösung der oben beschriebenen
Emissionsprobleme darin besteht, bei hoher Motorlast eine Schichtladung zu verwenden, bei
niedriger Motorlast aber eine homogene Ladung. Es wird auch davon ausgegangen, dass es
für den kommerziellen Erfolg des Motors erforderlich ist, einen konventionelleren Vergaser
zu verwenden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer
Zweitaktbrennkraftmaschine mit Kurbelkastenspülung, insbesondere, aber nicht
ausschließlich zum Gebrauch in handgeführten Produkten, die insbesondere bei hohen
Motorlasten reduzierte Emissionen aufweist, einfach und billig hergestellt werden kann und
die konventionelle Vergasertechnologie verwendet.
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Eine erfindungsgemäße Zweitaktbrennkraftmaschine mit Kurbelkastenspülung umfasst
einen Kolben, der hin- und her bewegbar in einem Zylinder angeordnet ist, wobei die
Zylinderwand einen Auslasskanal und einen diesem entgegengesetzten hinteren
Überströmkanal aufweist, die in der Zylinderwand geformt sind, der hintere Überströmkanal
über einen hinteren Überströmweg mit dem Innenraum des Kurbelkastens verbunden ist, der
hintere Überströmkanal vorgesehen ist, um sich zu öffnen, bevor der Auslasskanal
geschlossen wird, wodurch der Zylinder in Betrieb gespült wird, ein Einlasskanal
vorgesehen ist, um den Kurbelkasten mit Verbrennungsluft zu versorgen, ein Drosselventil
vorgesehen ist, um den Luftstrom durch den Einlasskanal zu drosseln, und ein Vergaser
vorgesehen ist, um den Einlasskanal mit Kraftstoff zu versorgen, und ist dadurch
gekennzeichnet, dass der Innenraum des Kurbelkastens in mindestens zwei getrennte
Kurbelkastenvolumen unterteilt ist, ein fettes Volumen und ein mageres Volumen, dass jedes
Kurbelkastenvolumen über eine jeweilige Öffnung in der Kurbelkastenwand mit dem
Zylinder verbunden ist, dass auch die Zylinderwand mindestens einen seitlichen
Überströmkanal aufweist, der an einer Stelle zwischen dem hinteren Überstromkanal und
dem Auslasskanal darin geformt ist, wobei der seitliche Überströmkanal vorgesehen ist, um
sich zu öffnen, bevor der Auslasskanal geschlossen wird, dass der seitliche Überströmkanal
über einen seitlichen Überströmweg mit dem mageren Volumen verbunden ist, dass der
hintere Überströmkanal mit dem fetten Volumen verbunden ist, dass der Einlasskanal sich
mindestens auf einem Teil seiner Länge in mindestens zwei Einlasswege unterteilt, einen
fetten Weg und einen mageren Weg, die jeweils mit dem fetten Volumen und dem mageren
Volumen verbunden sind, und dass der Vergaser und/oder das Drosselventil so aufgebaut
und angeordnet sind, dass bei hoher Last im Wesentlichen der gesamte Kraftstoff, der vom
Vergaser zugeführt wird, in den fetten Weg geleitet wird, und bei niedriger Last ein kleinerer
Anteil des Kraftstoffs, der vom Vergaser zugeführt wird, in den fetten Weg geleitet wird und
der Kraftstoff sowohl in den fetten als auch in den mageren Weg geleitet wird.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst demnach einen Einlasskanal, der
sich in einen fetten Weg und in einen mageren Weg unterteilt, und der Vergaser und/oder
das Drosselventil werden so angeordnet und betrieben, dass der fette Weg sowohl unter
hohen als auch unter niedrigen Lastbedingungen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch enthält, der
magere Weg aber nur unter niedrigen Lastbedingungen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch und
unter hohen Lastbedingungen im Wesentlichen reine Luft enthält. Der fette und der magere
Weg sind jeweils mit dem fetten und dem mageren Volumen im Kurbelkasten verbunden,
die voneinander getrennt und idealerweise im Wesentlichen gegeneinander abgedichtet sind.
Das fette Volumen ist mit dem hinteren Überströmkanal verbunden, der dem Auslasskanal
im Wesentlichen gegenüberliegt, während das magere Volumen mit dem seitlichen
Überströmkanal verbunden ist, der zwischen dem hinteren Überströmkanal und dem
Auslasskanal angeordnet ist.
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Unter hoher Last öffnet sich der seitliche Überströmkanal, bevor der Auslasskanal sich
schließt, so dass im Wesentlichen reine Luft durch diesen einströmt und den Zylinder spült.
Gleichzeitig, oder kurze Zeit danach, öffnet sich der hintere Überströmkanal, so dass ein
fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch einströmt. Dieses wird aber durch das größere und schnellere
Strömungsvolumen der im Wesentlichen reinen Luft aus dem seitlichen Überströmkanal im
Wesentlichen in der Nachbarschaft der Zylinderwand zurückgehalten, die dem Auslasskanal
entgegen gesetzt ist, wodurch während des Spülungsvorgangs nur wenig oder kein Kraftstoff
durch den Auslasskanal austreten kann. Die Ladung im Zylinder ist daher geschichtet.
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Unter niedriger Last oder im Leerlauf wird Kraftstoff sowohl in die fetten als auch in
die mageren Einlasswege eingeleitet, und somit sowohl in die fetten als auch in die mageren
Kurbelkastenvolumen. Wie oben erläutert, neigt das aus dem hinteren Überströmkanal
eingeleitete Luft-Kraftstoff-Gemisch dazu, unter niedriger Last auf kürzestem Wege direkt
in den Auslasskanal zu strömen, weil der Luftstrom durch den hinteren und den seitlichen
Überströmkanal viel schwächer ist. Da aber das durch den hinteren Überströmkanal
eintretende Luft-Kraftstoff-Gemisch aufgrund dessen, dass der Kraftstoff unter niedriger
Last auf den hinteren Überströmkanal und den seitlichen Überströmkanal verteilt wird, unter
niedriger Last viel magerer ist als unter hoher Last, ist die tatsächliche Kraftstoffmenge, die
während des Spülungsvorgangs ungenutzt an die Atmosphäre abgegeben wird, auf
akzeptable Weise gering.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist daher unter hoher Last eine
Schichtladung und unter niedrigen Lastbedingungen eine homogene Ladung auf. Wenn die
Last von ihrem Höchstniveau abfällt, kann der Vergaser so betrieben werden, dass er dem
mageren Einlassweg eine progressiv zunehmende Kraftstoffmenge zuführt. Dies sollte aber
vorzugsweise nicht beginnen, bevor die Last auf etwa 50% ihres Höchstwerts abgefallen ist.
Von etwa 40% Last an bis zur Leerlauflast kann der Kraftstoff im Wesentlichen
gleichmäßig auf den fetten und den mageren Einlassweg verteilt werden.
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Im vorzugsweisen Ausführungsbeispiel sind zwei einander gegenüberliegende seitliche
Überströmkanäle in der Zylinderwand geformt, der Innenraum des Kurbelkastens ist in drei
Kurbelkastenvolumen unterteilt, zwei fette Volumen und ein mageres Volumen, wobei das
magere Volumen mit beiden seitlichen Überströmkanälen verbunden ist und beide fetten
Volumen mit dem hinteren Überstromkanal verbunden sind, und der Einlasskanal ist in zwei
Einlasswege unterteilt, d. h. in einen mageren Weg und in einen fetten Weg, wobei der
magere Weg mit dem mageren Volumen verbunden ist und der fette Weg mit den zwei
fetten Volumen verbunden ist. Der Einlasskanal ist vorzugsweise ein einteiliges Gussstück.
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Die Unterteilung des Kurbelkasteninneren im Wesentlichen in zwei oder mehr
Volumen kann auf verschiedene Weisen durchgerührt werden. Es ist jedoch zweckmäßig,
die Kurbelwangen zu nutzen, die normalerweise verfügbar sind, d. h. relativ massive
Scheiben, die mit der Kurbelwelle eine integrale Einheit bilden, um den Motor
auszuwuchten. Typischerweise sind zwei dieser Kurbelwangen vorgesehen, deren
kreisrunder Außenumfang in enger Nachbarschaft zur Innenfläche des Kurbelkastens
angeordnet ist. Die Unterteilung des Kurbelkasteninnenraums kann dadurch einfach
erfolgen, indem die Außenfläche jeder Kurbelwange mit einer Labyrinthdichtung oder
ähnlichem versehen wird. Diese Labyrinthdichtung umfasst eine Ringnut oder eine Zunge
auf jeder Kurbelwange, die auf im Wesentlichen dichte Weise mit einer komplementär
angeordneten Zunge oder Ringnut auf der Innenfläche des Kurbelkastens zusammenwirkt.
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Bei Realisierung der Erfindung ist es natürlich erforderlich, dass der Vergaser den oder
jeden der fetten Einlasswege während des Hochlastbetriebs im Wesentlichen mit dem
ganzen Kraftstoff versorgt, und dass er ihn während des Niedriglastbetriebs ungefähr
gleichmäßig auf alle Einlasswege verteilt. Dies kann auf verschiedene Weisen erreicht werden, und
in einem Ausführungsbeispiel weist der Vergaser eine oder mehrere Düsen auf, die
vorgesehen sind, um Kraftstoff in den Einlasskanal einzuleiten, an einer Stelle unmittelbar
vor der Stelle, an welcher er sich in zwei oder mehrere Einlasswege unterteilt, und das
Drosselventil ist so angeordnet, dass es den Kraftstoff, der von der (den) Düse(n) abgegeben
wird, unter niedriger Last sowohl in den fetten als auch in den mageren Weg durchlässt, und
unter hoher Last im Wesentlichen den ganzen Kraftstoff in den fetten Weg leitet.
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Der Vergaser kann eine innere Trennwand aufweisen, die eine Fortsetzung der Wand
bildet, die den fetten Weg vom benachbarten mageren Weg trennt, eine Öffnung, die in der
inneren Trennwand geformt ist, und ein Drosselventil ist auf drehbare Weise in dieser
Öffnung angeordnet, wodurch diese Öffnung unter niedrigen Lastbedingungen geöffnet und
unter hohen Lastbedingungen geschlossen wird. Das heißt, die Vergaserdüse(n) ist (sind)in
diesem Fall so angeordnet, dass der Kraftstoff an einer Stelle des Einlasskanals eingespritzt
wird, die unmittelbar vor dem fetten Weg liegt, jedoch zur Öffnung in der inneren
Trennwand hin, wodurch der gesamte Kraftstoff zwangsläufig in den fetten Weg geleitet
wird, wenn die Öffnung vom Drosselventil geschlossen wird, und der Kraftstoff zumindest
teilweise durch die Öffnung strömen kann und daher sowohl in den fetten als auch in den
mageren Weg geleitet wird, wenn die Öffnung geöffnet wird, indem das Drosselventil in
eine Stellung bewegt wird, in der es den Einlasskanal drosselt.
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Es wird davon ausgegangen, dass der oben beschriebene Vergaser in
Brennkraftmaschinen eingesetzt werden kann, deren Aufbau sich vom oben genannten
unterscheidet, und die vorliegende Erfindung betrifft auch einen solchen Vergaser an sich.
Einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäß wird ein Vergaser zum Gebrauch
in einer Zweitaktbrennkraftmaschine des Typs bereitgestellt, bei dem der Einlasskanal des
Motors in zwei getrennte Wege unterteilt ist, der Vergaser einen Kanal umfasst, der bei
Gebrauch einen Abschnitt des Einlasskanals des Motors bildet, ein oder mehrere Düsen
vorgesehen sind/um Kraftstoff in den Kanal einzuleiten, und ein Drosselventil, das zwischen
einer geschlossenen Position, in welcher es den Kanal im Wesentlichen verschließt, und
einer geöffneten Position gedreht werden kann, in welcher es im Wesentlichen parallel zur
beabsichtigten Richtung des Luftstroms durch den Kanal verläuft und den Kanal im
Wesentlichen in zwei Wege unterteilt, einen ersten Weg, der näher an der (den) Düse(n)
angeordnet ist, und einen zweiten Weg, der weiter entfernt von der (den) Düse(n) angeordnet
ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffdüse(n) so angeordnet ist (sind), dass der
Kraftstoff in Richtung des Drosselventils eingeleitet wird, wodurch der gesamte Kraftstoff in
den ersten Weg geleitet wird und durch den zweiten Weg im Wesentlichen nur Luft geleitet
wird, wenn das Ventil geöffnet ist, und Kraftstoff sowohl in den ersten als auch in den
zweiten Weg geleitet wird, wenn das Ventil geschlossen ist. Die Erfindung umfasst auch
einen solchen Vergaser, wenn er mit einem Einlasskanal eines Motors verbunden ist, der
durch eine Trennwand in zwei getrennte Wege unterteilt ist, einen fetten Weg und einen
mageren Weg, wobei das Drosselventil im Wesentlichen eine Fortsetzung der Trennwand
bildet, wenn es in der geschlossenen Position ist.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Drosselventil drehbar, um eine
Achse angeordnet, die stromaufwärts Vergaserdüse(n) angeordnet ist, und das Drosselventil
ist mit einer oder mehreren Formationen darauf versehen, die mit jener Wand
zusammenwirken, die den fetten Weg von dem (den) benachbarten mageren Weg (Wegen) trennt,
wodurch die Vergaserdüse(n) sich unter hoher Last, wenn das Drosselventil geöffnet ist, in
einem Raum befindet (befinden), der nicht mit dem (den) mageren Weg (Wegen) verbunden
ist, und der gesamte Kraftstorf in den fetten Weg strömt, und die Vergaserdüse(n) sich unter
niedriger Last, wenn das Drosselventil im Wesentlichen geschlossen ist, in einem Raum
befindet (befinden), der mit dem fetten Weg und dem (den) mageren Weg (Wegen)
verbunden ist, und Kraftstoff in alle Einlasswege strömt.
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Weitere Merkmale und Details der Erfindung werden aus der nachstehenden
Beschreibung eines spezifischen Ausführungsbeispiels ersichtlich, die nur beispielhaft ist
und auf die beigefügten hochschematischen Zeichnungen Bezug nimmt, wobei:
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Fig. 1 ein seitlicher Querschnitt einer erfindungsgemäßen Zweitaktbrennkraftmaschine
entlang der Linie B-B in Fig. 2 ist;
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Fig. 2 ein Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1 ist;
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Fig. 3 eine perspektivische, partiell auseinander gezogene Ansicht der
Brennkraftmaschine ist, in der einige Merkmale der Einfachheit halber ausgelassen wurden;
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Fig. 4, 5 und 6 seitliche Querschnitte eines möglichen Ausführungsbeispiels des
Vergasers und des vorderen Endes des Einlasskanals sind, jeweils unter niedriger, mittlerer
und hoher Last.
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Die Brennkraftmaschine kann einen oder mehrere Zylinder aufweisen, doch nur ein
Zylinder wird dargestellt und beschrieben. Der Zylinder 2 wird von einem Zylinderkopf 4
geschlossen, durch den hindurch eine Zündkerze (nicht gezeigt) auf übliche Weise vorragt.
Im Zylinder ist hin und her beweglich ein Kolben 8 gelagert, der durch eine Pleuelstange
(nicht gezeigt) mit einer Kurbelwelle 12 verbunden ist, die in einem Kurbelkasten 14
angeordnet ist.
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Mit dem Innenraum des Kurbelkastens 14 ist ein Einlasskanal 16 verbunden, an dessen
stromabwärts gelegenem Ende eine Anzahl von Zungenventilen oder ähnlichem angeordnet
ist, die unten ausführlicher beschrieben werden und vorgesehen sind, um den Luftstrom nur
in einer Richtung zuzulassen, d. h. in den Kurbelkasten hinein.
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Stromaufwärts der Zungenventile ist ein Vergaser 18 angeordnet, wiederum
stromaufwärts desselben, oder einem Bestandteil desselben bildend ist, ein Drosselventil 20
konventionellen Typs angeordnet, das mit dem Beschleunigerhebel oder der Drossel der
Brennkraftmaschine verbunden ist.
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Mit dem Innenraum des Zylinders 2 ist ein Auslasskanal 22 verbunden und auch, an
einer Stelle, die etwas näher der Kurbelwelle 12 liegt, ein hinterer Überströmkanal 24, der
dem Auslasskanal 22 diametral gegenüberliegt. Mit dem Zylinder sind auch zwei einander
diametral gegenüberliegende seitliche Überströmkanäle 26 verbunden, die etwa in der Mitte
zwischen dem Auslasskanal und dem hinteren Überströmkanal angeordnet sind. Jeder dieser
Kanäle kann eine einzige Öffnung oder eine Vielzahl von Öffnungen aufweisen.
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Die Kurbelwelle 12 ist mit zwei axial beabstandeten Kurbelwangen 28 versehen, d. h.
relativ massive integrale Scheiben mit kreisrundem Profil, deren Außenumfang relativ nahe
an der Innenfläche des Kurbelkastens liegt, wie sie üblicherweise vorgesehen sind, um die
Kurbelwelle auszuwuchten. Die Außenfläche jeder Kurbelwange 28 ist, im Wesentlichen zur
benachbarten Innenfläche des Kurbelkastens hin, jeweils durch eine Labyrinthdichtung 30
abgedichtet, die eine ringförmige Zunge und eine Ringnut umfasst, die ineinander greifen.
Der Innenraum des Kurbelkastens ist dadurch in axialer Richtung in drei getrennte Kammern
oder Volumen unterteilt, nämlich die fetten Volumen V1 und V2 an beiden Enden und ein
mageres Volumen V3 in der Mitte. Es ist nicht erforderlich, dass diese drei Volumen völlig
gegeneinander abgedichtet sind, sondern nur, dass sie es im Wesentlichen sind.
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Das Volumen zwischen dem Kurbelkasten und der Unterseite des Kolbens, wenn
dieser sich im unteren Totpunkt befindet, welches in Fig. 1 als V4 bezeichnet wird, ist
normalerweise kleiner als ein Viertel des Innenraums des Kurbelkastens und ist
normalerweise durch eine große Öffnung mit dem Innenraum des Kurbelkastens verbunden.
Im vorliegenden Fall wird die Größe dieser Öffnung aber durch einen Steg 32 verkleinert,
der eine zentrale Öffnung 34 aufweist, durch welche das Volumen V4 nur mit dem mittleren
mageren Volumen V3 im Kurbelkasten verbunden wird. Die zwei fetten Volumen V1 und
V2 sind jeweils über Verbindungsöffnungen 36 mit dem Volumen V4 verbunden.
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Der hintere Überströmkanal 24 ist mit den beiden fetten Volumen V1 und V2
verbunden, über einen Weg 37, der sich jeweils in zwei Verbindungswege 38 verzweigt. Die
seitlichen Überströmkanäle 26 sind jeweils über Überströmwege 40 entweder direkt mit dem
mageren Volumen V3 verbunden, wobei die Überströmwege 40 dann relativ lang sind, oder
indirekt über das Volumen V4, in welchem Fall die Überströmwege dann relativ kurz sind,
wie in Fig. 3 gezeigt. Im letzteren Fall erfolgt die Verbindung mit dem Volumen V4 an einer
Stelle unterhalb der Unterseite des Kolbens, wenn er sich im unteren Totpunkt befindet.
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Der Einlasskanal 16, der in diesem Fall ein einteiliges Metallgussstück ist, ist in zwei
Einlasswege unterteilt, einen mageren Weg 44 und einen fetten Weg 42. Der magere Weg 44
ist über das Zungenventil 46 mit dem mageren Volumen V3 verbunden. Der fette Weg 42
verzweigt sich in zwei Wege 48, die jeweils über Zungenventile 50 mit den fetten Volumen
V1 und V2 verbunden sind. Kleine Löcher, die nicht dargestellt sind, können in den Wänden
der Wege vorgesehen werden, um den Druckausgleich zwischen allen Wegen zu
gewährleisten. Dies kann dazu führen, dass sehr geringe Kraftstoffmengen in die mageren
Wege eingeleitet werden, was aber unerheblich ist, ebenso wie die kleinen Leckmengen, die
an den Labyrinthdichtungen 30 auftreten.
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Der Vergaser 18 und/oder das Drosselventil 20 sind so aufgebaut und werden so
betrieben, dass unter hoher Last im Wesentlichen nur reine Luft in den mageren Weg 44
geleitet wird und ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in die fetten Wege 42 geleitet wird, aber unter
niedriger Last oder im Leerlauf ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in alle Wege eingeleitet wird.
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Wenn der Kolben bei Hochlast seinen Kompressionshub durchführt, wird im Volumen
V4 ein Unterdruck erzeugt, der durch die Öffnungen 34 und 36 auf die Volumen V1, V2 und
V3 angelegt wird. Durch das Zungenventil 46 wird im Wesentlichen reine Luft in das
magere Volumen V3 eingeleitet, und Luft-Kraftstoff-Gemisch wird durch die Zungenventile
50 in die zwei fetten Volumen V1 und V2 eingeleitet. Der Mengendurchfluss in V3 ist
wesentlich größer als der in V1 und V2. Das größere Luftvolumen, das in V3 eintritt, und die
Tatsache, dass die Öffnung 34 größer ist als die Öffnungen 36, bedeutet, dass V4 im
Wesentlichen nur mit reiner Luft gefüllt wird. Beim Expansions- oder Arbeitshub des
Kolbens wird vom Kolben zuerst der Auslasskanal 22 freigegeben, und der Großteil des
Abgases strömt durch diesen und wird an die Atmosphäre abgegeben. Dann werden die
seitlichen Überströmkanäle 26 freigegeben, und reine Luft aus dem Volumen V4 und dem
mageren Volumen V3 wird über die Überströmwege 40 durch diese eingeleitet. Der
Auslasskanal ist noch offen und mindestens ein Teil der Luft strömt durch diesen aus,
wodurch das verbleibende Abgas aus dem Zylinder gespült wird. Gleichzeitig, oder
vorzugsweise kurz danach, wird der hintere Überströmkanal 24 freigegeben, und Luft-
Kraftstoff-Gemisch aus den fetten Volumen V1 und V2 wird über die Wege 37 und 38 durch
diesen eingeleitet. Da der hintere Überströmkanal 24 vom Auslasskanal 22 weiter entfernt ist
als die seitlichen Überströmkanäle 26 und auch so geneigt ist, dass die Strömung durch
diesen nach oben gerichtet wird, d. h. in Richtung des Zylinderkopfs, strömt nur wenig oder
kein Luft-Kraftstoff-Gemisch durch den Auslasskanal aus. Diese Wirkung wird dadurch
verstärkt, dass der Großteil der gesamten Zusatzluft durch die seitlichen Überströmkanäle
einströmt, während nur etwa ein Viertel davon durch den hinteren Überströmkanal
einströmt. Die relativ schwache Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch den hinteren
Überströmkanal wird deshalb durch die stärkeren Strömungen der seitlichen
Überströmkanäle gegen die Zylinderwand gelenkt, die dem Auslasskanal gegenüberliegt,
wodurch verhindert wird, dass der Luft/Kraftstoffstrom zum Auslasskanal geleitet wird. Die
Ladung im Zylinder ist daher geschichtet, d. h. nicht homogen, wobei der Anteil der Ladung,
der näher am Auslasskanal liegt, kleiner ist als der Anteil, der näher am hinteren
Überströmkanal liegt. Dann erfolgt die Zündung auf normale Weise, und der Zyklus wiederholt sich.
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Bei niedriger Last oder im Leerlaufbetrieb werden alle drei Einlasswege mit einem
Luft-Kraftstoff-Gemisch versorgt, und somit alle drei Volumen V1, V2 und V3. Die Spülung
wird dann mit dem Luft-Kraftstoff-Gemisch durchgeführt, doch da die gesamte Luft, die in
den Zylinder eingeleitet wird, kraftstoffhaltig ist, ist das Gemisch erheblich magerer als das
Luft-Kraftstoff-Gemisch ist, wenn es nur durch den hinteren Überströmkanal eingeleitet
wird. Obwohl während des Spülens eine geringe Menge Kraftstoff an die Atmosphäre
abgegeben wird, ist dieser Spülverlust auf akzeptable Weise gering.
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Der Vergaser und das Drosselventil sind in Fig. 4 bis 6 auf detailliertere Weise
dargestellt. Der detaillierte Aufbau des Vergasers ist unerheblich und größtenteils bekannt,
und wie gezeigt, weist er eine Primär- oder Leerlaufdüse 60, eine Zwischendüse 61 und eine
Volllastdüse 62 auf. Das Drosselventil 20, das eine Drosselklappe ist, ist über der
Leerlaufdüse 60 angeordnet. Der Einlasskanal ist durch eine Trennwand 64 in zwei Wege 44
und 42 unterteilt, die unmittelbar stromabwärts der Leerlaufdüse angeordnet sind. Das
Vergasergehäuse umfasst eine Trennwand 66, die eine Fortsetzung der Trennwand 64 bildet
und in der eine Öffnung 68 geformt ist, welche die Drosselklappe 20 aufnimmt, von der sie
geschlossen werden kann. Wenn die Brennkraftmaschine im Leerlauf arbeitet, sperrt die
Drosselklappe im Wesentlichen den Einlasskanal, wie in Fig. 4 gezeigt. Der Kraftstoff, der
von der Leerlaufdüse eingeleitet wird, tritt vor der Trennwand 64 in den Einlasskanal ein
und wird dadurch im Wesentlichen gleichmäßig vom Luftstrom in die Wege 42 und 44
mitgenommen.
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Der Weg 42 zweigt an einer Stelle in zwei fette Wege 48 ab, und alle drei Volumen
des Kurbelkastens werden daher mit einem im Wesentlichen gleich fetten Luft-Kraftstoff-
Gemisch versorgt, wodurch die Ladung der Brennkraftmaschine homogen ist. Obwohl eine
bestimmte Kraftstoffmenge während des Spülvorgangs direkt in den Auspuff geleitet wird,
ist diese Menge auf akzeptable Weise gering, erstens, weil im Leerlaufbetrieb ohnehin nur
eine kleine Kraftstoffmenge benötigt wird, und zweitens, weil das Luft-Kraftstoff-Gemisch
im Leerlaufbetrieb viel magerer ist als unter Vollast, da im letzteren Zustand nur durch den
hinteren Überströmkanal Kraftstoff in den Zylinder eingeleitet wird, während er im
Leerlaufbetrieb durch die hinteren und seitlichen Überströmkanäle eingeleitet wird.
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Bei Hochlast sperrt die Drosselklappe den Einlasskanal nicht wesentlich, schließt aber
die Öffnung 68, wie in Fig. 6 gezeigt, und gewährleistet dadurch, dass der gesamte
Kraftstoff, der von der Leerlauf-, der Zwischen- und der Volllastdüse 60, 61 und 62 eingespritzt
wird, in den fetten Weg 42 geleitet wird. Durch den mageren Weg 44 strömt im
Wesentlichen reine Luft, auch wenn es kein Problem darstellt, wenn eine kleine Menge Kraftstoff in
den mageren Weg gelangt. Die Kurbelkastenvolumen V1 und V2 werden daher mit Luft-
Kraftstoff-Gemisch geladen, und das Volumen V3 wird mit im Wesentlichen kraftstofffreier
Luft geladen. Der Zylinder erhält daher eine geschichtete Ladung, wie oben beschrieben,
und die Spülverluste sind sehr gering.
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Unter mittlerer Last nimmt die Drosselklappe 20 die in Fig. 5 gezeigte Stellung ein, in
welcher sowohl der Einlasskanal als auch die Öffnung 68 partiell geöffnet sind. Kraftstoff
wird von der Leerlauf- und der Zwischendüse eingespritzt, und obwohl der Großteil davon in
den fetten Weg 42 strömt, strömt ein Anteil davon auch in den mageren Weg 44. Die Ladung
der Brennkraftmaschine kann daher als partiell geschichtet bezeichnet werden.
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In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Einlasskanal durch zwei
Trennwände in drei Einlasswege unterteilt, nämlich zwei magere Wege, zwischen denen ein
einziger fetter Weg liegt. Der Vergaser ist mit einer Düse versehen, die so angeordnet ist,
dass sie den Kraftstoff an einer Stelle einspritzt, die stromaufwärts kurz vor den
stromaufwärts liegenden Enden der Trennwände und im Wesentlichen zwischen den beiden
Trennwänden liegt, d. h. an einer Position direkt stromaufwärts des fetten Weges. Die
Drosselklappe ist drehbar um eine Achse angeordnet, die sich stromaufwärts kurz vor der
Vergaserdrüse befindet und trägt auf einer Fläche zwei parallele Wangen, die in einem
Abstand voneinander angeordnet sind, der dem Abstand der Trennwände im Einlasskanal
entspricht. Diese Wangen sind so angeordnet, dass sie mit den Trennwänden
zusammenwirken, so dass sie unter hoher Last im Wesentlichen an die Trennwände anstoßen
oder mit diesen im Gleitkontakt sind, wodurch die Vergaserdüse Kranstoff in einen Raum
abgibt, der im Wesentlichen nur mit dem fetten Weg verbunden ist. Unter niedriger Last,
wenn die Drosselklappe den Einlasskanal im Wesentlichen sperrt, gibt die Vergaserdüse
Kraftstorf in einen Raum ab, der mit allen drei Einlasswegen verbunden ist, wodurch der
Kraftstorf nicht nur in den fetten Weg, sondern auch in die beiden mageren Wege strömt.
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In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel werden die Zungenventile
(Reedventile) ausgelassen und die Kurbelwangen 28 so angeordnet, dass sie die
stromabwärts gelegenen Enden der fetten Wege 48 absperren. Am Umfang jeder
Kurbelwange ist aber ein Ausschnitt oder eine Öffnung vorgesehen, an einer Stelle, die es
ermöglicht, dass der Strom des Luft-Kraftstoff-Gemischs zu geeigneten Zeitpunkten in die
reichen Volumen V1 und V2 strömen kann. Die Kurbelwangen wirken daher als
Ventilglieder, die mit den Enden der fetten Wege zusammenwirken. Die notwendige
Ventilabsperrung des mageren Wegs kann erreicht werden, indem er über einen zusätzlichen
Lufteinlasskanal, der z. B. unter dem Auslasskanal 22 vorgesehen wird, mit dem Zylinder
verbunden wird. Der Lufteinlasskanal wird dann auf an sich bekannte Weise vom Kolben
selbst so gesteuert, dass der Luftstrom in das Volumen V4 und somit in das magere
Volumen V1 zu geeigneten Zeiten strömen kann.