EP4293210A1

EP4293210A1 - Zweitaktmotor

Info

Publication number: EP4293210A1
Application number: EP23177271.6A
Authority: EP
Inventors: Michael Grether; Robert Köhli; Richard Wirt; Bernd Engel
Original assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Current assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Priority date: 2022-06-13
Filing date: 2023-06-05
Publication date: 2023-12-20
Also published as: US11952937B2; US20230399973A1; CN117231360A

Abstract

Ein Zweitaktmotor (1) besitzt einen Zylinder (2), in dessen Zylinderbohrung (22) ein Brennraum (3) ausgebildet ist. Der Brennraum (3) ist von einem hin- und hergehend gelagerten Kolben (5) begrenzt, der eine in einem Kurbelgehäuse (6) drehbar gelagerte Kurbelwelle (8) antreibt. Ein Kurbelgehäuseinnenraum (7) ist über mindestens einen Überströmkanal (14, 15) in mindestens einer Stellung des Kolbens (5) fluidisch mit dem Brennraum (3) verbunden. Der mindestens eine Überströmkanal (14, 15) mündet mit einer Mündungsöffnung (18) in den Kurbelgehäuseinnenraum (7) und mit mindestens einem Überströmfenster (16, 17) an der Zylinderbohrung (22). Es ist vorgesehen, dass alle Überströmkanäle (14, 15) eine von der Mündungsöffnung (18) zum Überströmfenster (16, 17) gemessene mittlere Länge (a1, a2) aufweisen, wobei die mittlere Länge (a1, a2) bezogen auf den Hub mindestens 1,5 beträgt, und dass das Volumen des Kurbelgehäuseinnenraums (7) einschließlich aller Überströmkanäle (16, 17) bezogen auf den Hubraum höchstens 3,1 beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Im Stand der Technik sind Gestaltungen von Zweitaktmotoren mit vergleichsweise langen Überströmkanälen bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2009 059 143 A1 . Es hat sich gezeigt, dass mit langen Überströmkanälen geringe Abgaswerte erzielbar sind. Allerdings hat sich auch gezeigt, dass bei Zweitaktmotoren mit vergleichsweise langen Überströmkanälen bei hohen Drehzahlen ein Leistungseinbruch zu verzeichnen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweitaktmotor der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der geringe Abgaswerte bei günstiger Leistungsentwicklung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Zweitaktmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Um günstige Abgaswerte zu erreichen, ist vorgesehen, dass mindestens ein Überströmkanal, insbesondere alle Überströmkanäle eine mittlere Länge aufweisen, die bezogen auf den Hub des Kolbens mindestens 1,5 beträgt. Die mittlere Länge des Überströmkanals ist dabei in jedem senkrecht zur Strömungsrichtung liegenden Querschnitt des Überströmkanals durch die geometrische Mitte des Kanalquerschnitts gemessen. Die mittlere Länge ist von der Mündungsöffnung bis zum Überströmfenster gemessen.
Es hat sich gezeigt, dass sich insbesondere bei Überströmkanälen, deren mittlere Länge bezogen auf den Hub mindestens 1,5 beträgt, geringe Abgaswerte ergeben, dass bei hohen Drehzahlen aber bei bisherigen Zweitaktmotoren ein Leistungseinbruch zu verzeichnen war. Es hat sich gezeigt, dass dieser Leistungseinbruch durch Störungen der Verbrennung im Brennraum bedingt ist. Beim Abwärtshub des Kolbens strömen aufgrund des erhöhten Restdrucks im Brennraum Abgase in die Überströmkanäle ein. Aufgrund des einströmenden Abgases wird das Gasvolumen im Überströmkanal zunächst Richtung Kurbelgehäuse beschleunigt. Diese Bewegung des Gasvolumens muss aufgrund des ansteigenden Drucks im Kurbelgehäuse zunächst umgekehrt werden. Dadurch erfolgt das Überströmen von Luft und Frischgemisch in den Brennraum verzögert. Dies hat bei bisherigen Gestaltungen von Zweitaktmotoren eine unzureichende Füllung des Brennraums mit Frischgemisch und dadurch Störungen der Verbrennung bedingt.
Um diese Verzögerung zumindest teilweise auszugleichen, ist vorgesehen, dass das Volumen des Kurbelgehäuseinnenraums bezogen auf den Hubraum vergleichsweise klein ist. Es hat sich gezeigt, dass für eine günstige Leistungsentwicklung das Volumen des Kurbelgehäuseinnenraums bezogen auf den Hubraum höchstens 3,1 betragen soll. Dadurch können eine ausreichende Vorverdichtung des Gemischs im Kurbelgehäuse und ein ausreichend hoher Druck im Kurbelgehäuse zum Öffnungszeitpunkt des Überströmkanals in den Brennraum erreicht werden, um trotz der großen Länge des mindestens einen Überströmkanals ein vergleichsweise frühes Einströmen von Frischgemisch in den Brennraum zu erreichen. So kann eine ausreichende Füllung des Brennraums mit Frischgemisch auch bei vergleichsweise langen Überströmkanälen erreicht werden. Dadurch kann der Leistungseinbruch bei hohen Drehzahlen verringert werden.
Die mittlere Länge des mindestens einen, insbesondere aller Überströmkanäle ist insbesondere vergleichsweise groß.
Die mittlere Länge mindestens eines, insbesondere jedes Überströmkanals beträgt insbesondere mindestens 50 mm, insbesondere mindestens 80 mm. Die mittlere Länge mindestens eines, insbesondere jedes Überströmkanals beträgt insbesondere mindestens 90 mm, insbesondere mindestens 100 mm.
Das Verhältnis der mittleren Länge des Überströmkanals zum Hub des Kolbens beträgt insbesondere für mindestens einen Überströmkanal, insbesondere für jeden Überströmkanal mindestens 1,5, insbesondere mindestens 2. Insbesondere beträgt das Verhältnis der mittleren Länge mindestens eines einlassnahen Überströmkanals zum Hub des Kolbens mindestens 2,5, insbesondere mindestens 3. Der Hub des Kolbens entspricht dem Weg, den der Kolben von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt zurücklegt. Besonders insbesondere ist die Mündungsöffnung des mindestens einen Überströmkanals ins Kurbelgehäuse auf der Seite einer Querebene des Zweitaktmotors angeordnet, auf der auch eine Auslassöffnung aus dem Brennraum angeordnet ist. Das Überströmfenster des mindestens einen Überströmkanals ist insbesondere auf der Seite einer Querebene des Zweitaktmotors angeordnet, auf der auch mindestens eine Einlassöffnung, insbesondere ein Gemischeinlass, angeordnet ist.
Insbesondere beträgt der Hubraum des Zweitaktmotors von 50 cm³ bis 100 cm³.
Insbesondere ist vorgesehen, dass mindestens ein Überströmkanal, insbesondere alle Überströmkanäle eine mittlere Länge aufweisen, die bezogen auf den Hubraum mindestens 2 mm/cm³ beträgt. Die mittlere Länge wird durch den Hubraum geteilt. Für jeden Überströmkanal soll die mittlere Länge geteilt durch den Hubraum mindestens 2 mm/cm³ betragen. Der Hubraum des Zweitaktmotors entspricht der Fläche der Zylinderbohrung multipliziert mit dem Hub des Kolbens. Der Hub des Kolbens ist der Weg, den der Kolben von seinem oberen Totpunkt bis zu seinem unteren Totpunkt zurücklegt. Es hat sich gezeigt, dass sich insbesondere bei Überströmkanälen, deren mittlere Länge bezogen auf den Hubraum mindestens 2 mm/cm³ beträgt, geringe Abgaswerte ergeben.
Insbesondere beträgt das Verhältnis des Volumens aller Überströmkanäle zum Hubraum mindestens 1. Insbesondere ist das Volumen aller Überströmkanäle größer als der Hubraum. Insbesondere beträgt das Verhältnis des Volumens aller Überströmkanäle zum Hubraum mindestens 1,3, insbesondere mindestens 1,5, insbesondere mindestens 1,6. Das Volumen aller Überströmkanäle ist dabei das Volumen aller Überströmkanäle zusammengenommen.
Das Einströmen von Abgasen aus dem Brennraum in den mindestens einen Überströmkanal erfolgt aufgrund des Druckunterschieds zwischen Brennraum und Kurbelgehäuseinnenraum. Es hat sich gezeigt, dass durch Senkung des Restdrucks im Brennraum die Verzögerung des Einströmens von Frischgemisch aus dem mindestens einen Überströmkanal in den Brennraum weiter verringert werden kann. Eine Senkung des Restdrucks im Brennraum kann durch eine möglichst schnelle Gemischumsetzung, also durch eine schnelle Verbrennung erreicht werden. Es hat sich gezeigt, dass hierfür ein geometrisches Verdichtungsverhältnis des Brennraums von mindestens 10,0 vorteilhaft ist. Das geometrische Verdichtungsverhältnis ist dabei das Volumen des Brennraums im unteren Totpunkt des Kolbens geteilt durch das Volumen des Brennraums im oberen Totpunkt des Kolbens. Durch ein Verdichtungsverhältnis von mindestens 10,0 kann eine vergleichsweise hohe Temperatur des Gemischs im Brennraum zum Zündzeitpunkt erreicht werden. Dadurch wird eine gute und schnelle Verbrennung im Brennraum begünstigt.
Im oberen Totpunkt des Kolbens ist zwischen dem Kolben und dem Brennraumdach über einen Teil der Fläche des Kolbens ein ebener Zwischenraum gebildet, an dem der in Richtung der Zylinderlängsachse gemessene Abstand zwischen Kolben und Brennraumdach minimal ist. An diesen ebenen Zwischenraum kann ein Bereich anschließen, in dem das Brennraumdach um bis zu 5° zum Kolbenboden geneigt ist. Die Fläche des Brennraumdachs, die den ebenen Zwischenraum und den Bereich, in dem das Brennraumdach um bis zu 5° zum Kolbenboden geneigt ist, begrenzt, ist die Quetschfläche des Zylinders. An der Quetschfläche des Zylinders wird eine besonders hohe Verdichtung und Turbulenz des Gemischs erzielt. Das Gemisch wird mit hoher Geschwindigkeit zur Kalotte bewegt. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit und der hohen Turbulenz sowie aufgrund des hohen Drucks, der sich aufgrund der hohen Verdichtung einstellt, ergibt sich eine gute Gemischaufbereitung. Um eine gute Verbrennung im Brennraum zu begünstigen, beträgt der Anteil der Quetschfläche an der projizierten Fläche der Zylinderbohrung insbesondere mindestens 40 %, insbesondere 40 % bis 50 %.
Für eine hohe Verdichtung des Gemischs ist ein geringer Quetschspalt von Vorteil. Der Quetschspalt entspricht dem Abstand zwischen dem Kolben im oberen Totpunkt und dem Brennraumdach an dem ebenen Zwischenraum der Quetschfläche. Insbesondere beträgt der Quetschspalt weniger als 0,7 mm.
Um eine vergleichsweise große Quetschfläche auf einfache Weise realisieren zu können und gleichzeitig eine für die Verbrennung günstige Gemischverteilung im Brennraum zu erzielen, ist die Kalotte des Brennraumdachs insbesondere außermittig angeordnet. Die geometrische Mitte der Kalotte weist insbesondere einen Abstand zur Längsmittelachse des Zylinders auf. Der Abstand beträgt insbesondere mindestens 3 % des Durchmessers der Zylinderbohrung. Bevorzugt beträgt der Abstand mindestens 2 mm, insbesondere mindestens 5 mm.
Die Kalotte ist bevorzugt näher an der Einlassseite des Zylinders angeordnet als an der Auslassseite. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Überströmfenster in Richtung auf die Einlassseite des Zylinders gerichtet sind, so dass die Einströmrichtung aus den Überströmkanälen in Richtung Einlass und insbesondere auch Richtung Brennraumdach gerichtet ist. Die Einlassseite des Zylinders ist dabei die Seite, an der eine Einlassöffnung des Ansaugkanals ins Kurbelgehäuse angeordnet ist. Die Auslassseite des Zylinders ist die Seite des Zylinders, an der die Auslassöffnung angeordnet ist.
Die Kalotte ist insbesondere so angeordnet, dass der minimale Abstand der Kalotte zur Zylinderbohrung auf der Einlassseite in Blickrichtung der Zylinderlängsachse insbesondere 0 mm bis 10 mm, insbesondere 2 mm bis 6 mm beträgt.
Insbesondere weist der Zylinder eine Mittelebene auf, die die Längsmittelachse des Zylinders enthält und die Auslassöffnung mittig teilt. Der Zylinder weist insbesondere eine Querebene auf, die die Längsmittelachse des Zylinders enthält und die senkrecht zur Mittelebene steht. Die geometrische Mitte der Kalotte ist insbesondere auf der der Auslassöffnung entfernt liegenden Seite der Querebene angeordnet.
Das Verhältnis der größten Erstreckung zur kleinsten Erstreckung der Kalotte in der Projektion in Richtung der Längsmittelachse des Zylinders beträgt insbesondere höchstens 1,1. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die größte Erstreckung der Kalotte parallel zur Querebene und die kleinste Erstreckung der Kalotte parallel zur Mittelebene angeordnet sind. Die Kalotte weist in einer Projektion in Richtung der Längsmittelachse des Zylinders insbesondere eine kreisförmige oder näherungsweise kreisförmige Gestalt auf.
Insbesondere sind die Überströmkanäle in einem an die Überströmfenster angrenzenden Endabschnitt so ausgerichtet, dass Gemisch aus den Überströmkanälen mit einer Richtungskomponente in den Brennraum einströmt, die von der Auslassöffnung weg gerichtet ist. Dadurch wird eine verbesserte Ausspülung der Abgase des vorangegangenen Motorzyklus aus dem Brennraum sowie eine verbesserte Umsetzung des Gemischs im Brennraum erreicht. In den Brennraum einströmendes Gemisch wird insbesondere in die Richtung bewegt, in der die Kalotte angeordnet ist.
Insbesondere weist der Zweitaktmotor einen Luftkanal zur Vorlagerung von Luft in mindestens einem Überströmkanal auf. Dadurch können die Abgaswerte des Verbrennungsmotors verbessert werden. Dadurch, dass Abgase aus dem Brennraum durch die in den Überströmkanälen vorgelagerte Luft ausgespült werden, kann der Anteil von Abgasen im Brennraum aus dem vorangegangenen Motorzyklus verringert werden. Dadurch kann eine schnellere Verbrennung im Brennraum erreicht werden.
Insbesondere liegt mindestens ein Umfangssegment, in dem eine Mündungsöffnung eines Überströmkanals liegt, in Richtung der Längsmittelachse des Zylinders gesehen zumindest teilweise, insbesondere vollständig in Überdeckung mit dem Umfangssegment des Zylinders, in dem die Auslassöffnung verläuft. Die Umfangssegmente, in denen sich Mündungsöffnung und Auslassöffnung erstrecken, sind dabei Umfangssegmente des Zylinders um die Längsmittelachse. Die Mündungsöffnung erstreckt sich insbesondere über ein erstes Umfangssegment des Zylinders und die Auslassöffnung erstreckt sich insbesondere über ein zweites Umfangssegment. Das erste Umfangssegment und das zweite Umfangssegment überdecken sich insbesondere zumindest teilweise. Es kann vorgesehen sein, dass das zweite Umfangssegment vollständig innerhalb des ersten Umfangssegments liegt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das erste Umfangssegment vollständig innerhalb des zweiten Umfangssegments liegt. Insbesondere sind Auslassöffnung und Mündungsöffnung symmetrisch zur Mittelebene des Zylinders angeordnet.
Insbesondere verläuft mindestens ein Überströmkanal wendelförmig um die Zylinderbohrung. Der Überströmkanal verläuft demnach nicht parallel zur Längsmittelachse des Zylinders, sondern in Seitenansicht des Zylinders zur Längsmittelachse des Zylinders geneigt. Besonders insbesondere münden mindestens zwei Überströmkanäle, insbesondere alle Überströmkanäle des Zweitaktmotors an einer gemeinsamen Mündungsöffnung in den Kurbelgehäuseinnenraum.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Schnittdarstellung eines Zweitaktmotors,
Fig. 2: eine schematische Darstellung des Zylinders des Zweitaktmotors,
Fig. 3: eine ausschnittsweise Darstellung des Zylinders bei Blickrichtung vom Kurbelgehäuse zum Brennraumdach,
Fig. 4: die Darstellung aus Fig. 3, wobei die Quetschfläche schraffiert ist,
Fig. 5: eine Schnittdarstellung des Zylinders mit schematisch eingezeichnetem Kolben entlang der Linie V-V in Fig. 1,
Fig. 6: einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5,
Fig. 7: eine Darstellung des Brennraumdachs eines Zylinders eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Zweitaktmotors bei Blickrichtung vom Kurbelgehäuse zum Brennraumdach.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Zweitaktmotor 1. Der Zweitaktmotor 1 ist ein Einzylindermotor. Der Zweitaktmotor 1 kann beispielsweise in einem handgeführten Arbeitsgerät wie einem Trennschleifer, einem Freischneider, einer Motorsäge, einem Blasgerät, einem Rasenmäher oder dergleichen zum Einsatz kommen. Der Zweitaktmotor 1 weist einen Zylinder 2 auf, in dem ein Brennraum 3 ausgebildet ist. Der Brennraum 3 ist von einem Kolben 5 begrenzt. Der Kolben 5 ist in einer Zylinderbohrung 22 des Zylinders 2 beweglich gelagert. Der Kolben 5 treibt über ein Pleuel 4 eine in einem Kurbelgehäuseinnenraum 7 eines Kurbelgehäuses 6 drehbar gelagerte Kurbelwelle 8 an. Die Kurbelwelle 8 ist um eine Drehachse 38 drehbar gelagert.
In der Zylinderbohrung 22 ist eine vom Kolben 5 gesteuerte Auslassöffnung 13 aus dem Brennraum 3 angeordnet, an die ein Auslasskanal 27 anschließt. Der Auslasskanal 27 mündet in einen Abgasschalldämpfer 28.
Der Zweitaktmotor 1 weist einen Luftfilter 32 auf. Im Luftfilter 32 ist Filtermaterial 34 angeordnet, das einen Reinraum 51 des Luftfilters 32 von der Umgebung trennt. Der Luftfilter 32 besitzt einen Luftfilterboden 33, an den ein Ansaugkanal 23 anschließt. Ein Abschnitt des Ansaugkanals 23 ist im Ausführungsbeispiel in einer Kraftstoffzuführeinrichtung 25 ausgebildet. Die Kraftstoffzuführeinrichtung 25 kann beispielsweise ein Vergaser sein. Alternativ kann die Kraftstoffzuführeinrichtung 25 ein Kraftstoffventil 21 zur Dosierung von Kraftstoff aufweisen. Das Kraftstoffventil 21 kann ein elektromagnetisches Ventil sein. Es kann vorgesehen sein, dass das Kraftstoffventil 21 die zuzuführende Kraftstoffmenge lediglich dosiert und der Kraftstoff aufgrund des im Ansaugkanal herrschenden Unterdrucks in den Ansaugkanal 23 angesaugt wird. Alternativ kann das Kraftstoffventil 21 ein Einspritzventil sein. Die Kraftstoffzuführeinrichtung 25 umfasst ein Drosselelement 24, beispielsweise eine Drosselklappe. Über das Drosselelement 24 ist der freie Strömungsquerschnitt im Ansaugkanal 23 von einem Bediener einstellbar.
Es kann auch vorgesehen sein, dass anstatt der Kraftstoffzuführeinrichtung 25 lediglich ein Drosselgehäuse zur Lagerung des Drosselelements 24 vorgesehen ist und dass der Kraftstoff über ein schematisch dargestelltes Kraftstoffventil 21' unmittelbar in den Kurbelgehäuseinnenraum 7 zugeführt wird.
Im Ausführungsbeispiel weist der Ansaugkanal 23 eine Trennwand auf, die den Ansaugkanal 23 in einen Gemischkanal 9 und einen Luftkanal 11 aufteilt. Stromab des Drosselelements 24 ist der Ansaugkanal 23 von einem Trennwandabschnitt 26 in Luftkanal 11 und Gemischkanal 9 geteilt. Ergänzend kann ein Trennwandabschnitt 37 stromauf des Drosselelements 24 vorgesehen sein. Der Gemischkanal 9 mündet an einer Gemischkanalöffnung 10 an der Zylinderbohrung 22. Der Luftkanal 11 mündet mit zwei Luftkanalöffnungen 12 an der Zylinderbohrung 22, die auch in Fig. 2 dargestellt sind.
Die zugeführte Kraftstoffmenge wird, wenn der Kraftstoff über ein Kraftstoffventil 21, 21' zugeführt wird, von einer Steuereinrichtung 30 gesteuert. Die Steuereinrichtung 30 steuert das Kraftstoffventil 21 an. Insbesondere weist der Zweitaktmotor 1 einen Drucksensor 29 auf, der den im Kurbelgehäuseinnenraum 7 herrschenden Druck misst. Auch der Drucksensor 29 ist insbesondere mit der Steuereinrichtung 30 verbunden.
Der Kolben 5 ist zwischen einem unteren Totpunkt UT und einem oberen Totpunkt OT in der Zylinderbohrung 22 beweglich. Zwischen dem unteren Totpunkt UT und dem oberen Totpunkt OT legt der Kolben 5 einen Hub h zurück.
Im Bereich des unteren Totpunkts UT des Kolbens 5, der in Fig. 1 dargestellt ist, ist der Kurbelgehäuseinnenraum 7 fluidisch mit dem Brennraum 3 verbunden, und zwar über Überströmkanäle 14 und 15. Die Überströmkanäle 14 münden mit Überströmfenstern 16 in den Brennraum 3. Die Überströmkanäle 15 münden mit Überströmfenstern 17 in den Brennraum 3. Die Überströmfenster 16 sind näher an der Auslassöffnung 13 angeordnet als die Überströmfenster 17. Im Ausführungsbeispiel weisen die Überströmkanäle 14, 15 einen gemeinsamen Überströmkanalabschnitt 19 auf. Die Überströmkanäle 14 und 15 sind demnach zusammengeführt. Im Ausführungsbeispiel sind auf jeder Seite des Zylinders 2 ein Überströmkanal 14 und ein Überströmkanal 15 angeordnet. Die Überströmkanäle 14 und 15 sind zunächst auf jeder Zylinderseite zusammengeführt und anschließend sind alle Überströmkanäle 14, 15 in den gemeinsamen Überströmkanalabschnitt 19 geführt. Der gemeinsame Überströmkanalabschnitt 19 mündet mit einer Mündungsöffnung 18 in den Kurbelgehäuseinnenraum 7.
Die Überströmkanäle 14 und 15 sind vergleichsweise lang ausgebildet. Das Kurbelgehäuse 6 weist eine Kurbelgehäuseebene 44 auf. Die Kurbelgehäuseebene 44 verläuft senkrecht zu einer Längsmittelachse 50 des Zylinders 2 und enthält die Drehachse 38 der Kurbelwelle 8. Im Ausführungsbeispiel ist die Mündungsöffnung 18 vollständig auf der dem Zylinder 2 entfernt liegenden Seite der Kurbelgehäuseebene 44 angeordnet. Der Kurbelgehäuseinnenraum 7 weist einen tiefsten Bereich 57 auf. Der tiefste Bereich 57 des Kurbelgehäuseinnenraums 7 ist der Bereich des Kurbelgehäuseinnenraums 7 auf der dem Zylinder 2 entfernt liegenden Seite der Kurbelgehäuseebene 44, der einen größten Abstand k zur Kurbelgehäuseebene 44 aufweist.
Die Längsmittelachse 50 des Zylinders 2 verläuft in bevorzugter Ausführung durch den tiefsten Bereich 57. Auch eine andere Anordnung des tiefsten Bereichs 57 kann jedoch vorteilhaft sein.
Die Mündungsöffnung 18 weist zum tiefsten Bereich 57 einen parallel zur Längsmittelachse 50 des Zylinders 2 gemessenen Abstand m auf, der insbesondere weniger als 20 mm, insbesondere weniger als 10 mm beträgt. Insbesondere beträgt der Abstand m weniger als 7 mm, insbesondere weniger als 5 mm. Der Abstand m kann 0 mm betragen. Eine günstige Gestaltung für die Herstellung des Kurbelgehäuses 6 ergibt sich, wenn der Abstand m der Mündungsöffnung 18 zum tiefsten Bereich 57 nicht weniger als 0,5 mm beträgt, so dass auch bei ungünstiger Toleranzlage ein geringer Abstand der Mündungsöffnung 18 zum tiefsten Bereich 57 besteht. Insbesondere verläuft die Mündungsöffnung 18 vollständig auf einer Seite einer Ebene, wobei die Ebene die Drehachse 38 der Kurbelwelle 8 und die Längsmittelachse 50 des Zylinder 2 enthält. Diese Ebene kann mit einer nachfolgend näher beschriebenen Querebene 52 zusammenfallen.
Der parallel zur Längsachse 50 des Zylinders 2 gemessene Abstand m des tiefsten_Bereichs 57 zur Mündungsöffnung 18 beträgt insbesondere weniger als 30 %, insbesondere weniger als 20 %, insbesondere weniger als 10 % des Hubs h des Kolbens 5.
Der Abstand m ist insbesondere zu einem dem Brennraum 3 entfernt liegenden Bereich der Mündungsöffnung 18 gemessen.
Die Überströmkanäle 14 weisen eine mittlere Länge a₁ auf. Die Überströmkanäle 15 weisen eine mittlere Länge a₂ auf. Die mittlere Länge a₁, a₂ der Überströmkanäle 14, 15 ist von der Mündungsöffnung 18 zum Überströmfenster 16, 17 in jedem senkrecht zur Strömungsrichtung liegenden Querschnitt des jeweiligen Überströmkanals 14, 15 durch die geometrische Mitte des Kanalquerschnitts gemessen. Die mittlere Länge a₁, a₂ beträgt geteilt durch den Hubraum für mindestens einen, insbesondere für jeden Überströmkanal 14, 15 insbesondere mindestens 2 mm/cm³. Der Hubraum des Zweitaktmotors 1 ist dabei die Fläche der Zylinderbohrung 22 multipliziert mit dem Hub h des Kolbens 5.
Insbesondere beträgt der Hubraum des Zweitaktmotors 1 von 50 cm³ bis 100 cm³.
Die mittlere Länge a₁, a₂ mindestens eines, insbesondere jedes Überströmkanals 14, 15 beträgt insbesondere mindestens 50 mm, insbesondere mindestens 80 mm. Die mittlere Länge a₁, a₂ mindestens eines, insbesondere jedes Überströmkanals 14, 15 beträgt insbesondere mindestens 90 mm, besonders insbesondere mindestens 100 mm. Insbesondere beträgt zumindest die mittlere Länge a₂ der Überströmkanäle 15, deren Überströmfenster 17 nahe dem Gemischeinlass 10 angeordnet sind, mindestens 110 mm, insbesondere mindestens 120 mm. Insbesondere beträgt das Verhältnis der mittleren Länge a₂ mindestens eines der Überströmkanäle 15, deren Überströmfenster 17 nahe dem Gemischeinlass 10 angeordnet sind, zum Hub h des Kolbens 5 mindestens 2,5, insbesondere mindestens 3.
Das Verhältnis der mittleren Länge a₁, a₂ mindestens eines, insbesondere jedes Überströmkanals 14, 15 zum Hub h des Kolbens 5 beträgt mindestens 1,5, insbesondere mindestens 2, insbesondere mindestens 2,5, insbesondere mindestens 3.
In Fig. 1 ist schematisch ein Querschnitt Q, in dem die Querschnittsfläche des Überströmkanals 15 minimal ist, eingezeichnet. Die kleinste Querschnittsfläche ist der Flächeninhalt des Überströmkanals 15 in diesem Querschnitt Q. Die kleinste Querschnittsfläche des Überströmkanals 14 bzw. 15 kann beispielsweise von 50 mm² bis 100 mm² betragen.
In Fig. 1 sind auch die Zündkerzenöffnung 35 und die Dekompressionsventilöffnung 36 gezeigt, in der die Zündkerze und das Dekompressionsventil anzuordnen sind. Wie Fig. 1 auch zeigt, besitzt der Kolben 5 einen Kolbenboden 43, der den Brennraum 3 begrenzt.
In Fig. 2 ist der Zylinder 2 schematisch bei Blickrichtung vom Kurbelgehäuse 4 in die Zylinderbohrung 22 dargestellt. Der Kolben 5 besitzt zwei Kolbentaschen 20. Wie Fig. 2 zeigt, teilt sich der Luftkanal 9 in zwei Äste 39, 40. Die Äste 39 und 40 münden jeweils mit einer Luftkanalöffnung 12 im Bereich einer der Kolbentaschen 20 des Kolbens 5 an der Zylinderbohrung 22. Im Bereich des oberen Totpunkts OT (Fig. 1) des Kolbens 5 ist der Luftkanal 11 über die Kolbentaschen 20 mit den Überströmkanälen 14 und 15 verbunden. Im Bereich des oberen Totpunkts OT des Kolbens 5 kann so in den Überströmkanälen 14 und 15 Luft vorgelagert werden.
In den Fig. 1 und 2 ist auch die Längsmittelachse 50 des Zylinders 2 dargestellt. Wie Fig. 2 zeigt, weist der Zylinder 2 eine Mittelebene 53 auf. Die Mittelebene 53 teilt die Auslassöffnung 13 mittig und enthält die Längsmittelachse 50 des Zylinders. Der Zylinder 2 weist außerdem eine Querebene 52 auf, die senkrecht zur Mittelebene 53 verläuft. Die Querebene 52 enthält ebenfalls die Längsmittelachse 50 des Zylinders.
Wie Fig. 2 zeigt, ist die Mündungsöffnung 18 in einem ersten Umfangssegment 55 des Zylinders 2 angeordnet. Das erste Umfangssegment 55 ist ein Segment des Zylinders 2 um die Längsmittelachse 50. Die Auslassöffnung 13 ist in einem zweiten Umfangssegment 56 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel fallen die Umfangssegmente 55 und 56 zusammen. Insbesondere überschneiden sich die Umfangssegmente 55 und 56 zumindest teilweise. Es kann vorgesehen sein, dass das erste Umfangssegment 55, über das sich die Mündungsöffnung 18 erstreckt, größer als das zweite Umfangssegment 56 der Auslassöffnung 13 ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das zweite Umfangssegment 56 der Auslassöffnung 13 größer als das erste Umfangssegment 55 der Mündungsöffnung 18 ist.
Die Überströmkanäle 14 und 15 weisen jeweils einen Endabschnitt 41, 42 auf. Die Endabschnitte 41, 42 sind so ausgebildet, dass Luft und Gemisch aus den Überströmkanälen 14 und 15 in einer Einströmrichtung 48 in den Brennraum 3 einströmen. Dabei kann die Einströmrichtung 48 für jeden Überströmkanal 14, 15 unterschiedlich sein. Die Einströmrichtungen 48 weisen jedoch bei jedem Überströmkanal 14, 15 eine Richtungskomponente 49 auf, die in Richtung auf die Gemischkanalöffnung 10, also von der Austrittsöffnung 13 weg gerichtet ist. Die Richtungskomponente 49 ist eine Richtungskomponente senkrecht zur Querebene 52.
Im Betrieb des Zweitaktmotors 1 wird beim Aufwärtshub des Kolbens 5 die Gemischkanalöffnung 10 geöffnet und Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Kurbelgehäuseinnenraum 7 angesaugt. Im Falle eines Kraftstoffventils 21' am Kurbelgehäuse 6 wird über die Gemischkanalöffnung 10 Luft angesaugt und der Kraftstoff über das Kraftstoffventil 21' in den Kurbelgehäuseinnenraum 7 zugeführt. Im Bereich des oberen Totpunkts OT des Kolbens 5 wird in den Überströmkanälen 14 und 15 Luft aus dem Luftkanal 11 über die Kolbentaschen 20 (Fig. 2) vorgelagert. Beim Abwärtshub des Kolbens 5 wird das Gemisch im Kurbelgehäuseinnenraum 7 verdichtet. Wenn der Kolben 5 die Überströmfenster 16 und 17 öffnet, strömt aus den Überströmkanälen 14 und 15 zunächst vorgelagerte Luft und anschließend Gemisch in den Brennraum 3 ein. Die einströmende Luft spült Abgase aus dem Brennraum 3 aus. Beim Aufwärtshub des Kolbens 5 wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum 3 verdichtet und im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens 5 von einer in der Zündkerzenöffnung 35 angeordneten Zündkerze gezündet. Beim Abwärtshub des Kolbens 5 wird zunächst die Auslassöffnung 13 geöffnet, so dass Abgase aus dem Brennraum 3 entweichen können. Anschließend werden die Überströmfenster 16 und 17 geöffnet und Luft und Gemisch für den nächsten Motorzyklus strömen in den Brennraum 3 nach.
Es ist vorgesehen, dass die Überströmkanäle 14 und 15 eine vergleichsweise große mittlere Länge a₁, a₂ aufweisen. Die mittlere Länge a₁, a₂ jedes Überströmkanals 14, 15 beträgt bezogen auf den Hubraum mindestens 2 mm/cm³. Um trotz der großen Länge der Überströmkanäle 14, 15 ein schnelles Einströmen von Frischgemisch in den Brennraum 3 zu erreichen, ist vorgesehen, dass das Volumen des Kurbelgehäuseinnenraums 7 einschließlich des Volumens aller Überströmkanäle 14, 15 vergleichsweise klein ist. Das Volumen des Kurbelgehäuseinnenraums 7 beträgt bezogen auf den Hubraum insbesondere höchstens 3,1.
Das Volumen der Überströmkanäle 14 und 15 ist insbesondere, besonders insbesondere auch bei großer Länge der Überströmkanäle 14 und 15, vergleichsweise klein. Insbesondere beträgt das Verhältnis des Volumens aller Überströmkanäle 14, 15 zum Hubraum mindestens 1. Insbesondere ist das Volumen aller Überströmkanäle 14 und 15 größer als der Hubraum. Insbesondere beträgt das Verhältnis des Volumens aller Überströmkanäle 14 und 15 zum Hubraum mindestens 1,3, insbesondere mindestens 1,5, insbesondere mindestens 1,6. Das Volumen aller Überströmkanäle 14 und 15 ist dabei das Gesamtvolumen aller Überströmkanäle 14 und 15. Das Volumen aller Überströmkanäle 14 und 15 ist die Summe der Volumina aller Überströmkanäle 14 und 15.
Um eine gute Füllung des Brennraums 3 zu erreichen, ist eine Anpassung der Geometrie des Brennraums 3 vorgesehen, die eine schnelle Verbrennung im Brennraum 3 und dadurch einen vergleichsweise geringen Restdruck der Abgase im Brennraum 3 bewirkt. Dadurch kann die Menge von Abgasen, die aus dem Brennraum 3 in die Überströmkanäle 14 und 15 strömen, gering gehalten werden. Um eine schnelle Verbrennung zu erreichen, ist insbesondere vorgesehen, dass das geometrische Verdichtungsverhältnis des Brennraums 3 mindestens 10,0 beträgt.
In den Fig. 3 und 4 ist die Gestaltung eines Brennraumdachs 45 des Brennraums 3 dargestellt. Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, weist das Brennraumdach 45 eine Kalotte 46 auf.
Die Kalotte 46 besitzt eine geometrische Mitte 47, die mit einem Abstand c zur Längsmittelachse 50 des Zylinders 2 angeordnet ist. Der Abstand c beträgt insbesondere 3 % eines Durchmessers f der Zylinderbohrung 22. Insbesondere beträgt der Abstand c mindestens 2 mm, insbesondere mindestens 5 mm. Die geometrische Mitte 47 der Kalotte 46 ist dabei insbesondere auf der Seite der Querebene 52 angeordnet, auf der auch die Gemischkanalöffnung 10 angeordnet ist (s. Fig. 1). Die geometrische Mitte 47 der Kalotte 46 und die Auslassöffnung 13 sind insbesondere auf gegenüberliegenden Seiten der Querebene 53 angeordnet, wie auch Fig. 1 zeigt. Die Zündkerzenöffnung 35 ist im Ausführungsbeispiel symmetrisch zur Mittelebene 53 angeordnet. Die Dekompressionsventilöffnung 36 ist im Ausführungsbeispiel auf der Seite der Querebene 52 angeordnet, auf der auch die geometrische Mitte 47 der Kalotte 46 liegt.
Das Verhältnis der mittleren Länge a₁, a₂ des Überströmkanals 14, 15 zum Durchmesser f der Zylinderbohrung 22 beträgt insbesondere für mindestens einen Überströmkanal 14 oder 15, insbesondere für jeden Überströmkanal 14, 15 mindestens 1,5, insbesondere mindestens 2, insbesondere mindestens 3.
Wie Fig. 3 zeigt, weist das Brennraumdach 45 einen ebenen Bereich 58 auf, der bis nahe an die Zylinderbohrung 22 reicht. Der Kolbenboden 43 weist außerdem einen geneigten Bereich 59 auf, der im Ausführungsbeispiel zwischen dem ebenen Bereich 58 und der Kalotte 46 liegt.
Der Zylinder 2 weist eine Einlassseite 60 und eine Auslassseite 61 auf, die in Fig. 2 bezeichnet sind. Die Einlassseite 60 des Zylinders 2 ist die Seite, an der die Gemischkanalöffnung 10 des Gemischkanals 9 ins Kurbelgehäuse 6 angeordnet ist. Die Auslassseite 61 des Zylinders 2 ist die Seite des Zylinders 2, an der die Auslassöffnung 13 angeordnet ist.
Wie Fig. 6 zeigt, ist die Kalotte 46 näher an der Einlassseite 60 angeordnet als an der Auslassseite 61. Die Kalotte 46 ist insbesondere so angeordnet, dass der minimale Abstand g der Kalotte 46 zur Zylinderbohrung 22 auf der Einlassseite 60 in Blickrichtung der Längsmittelachse 50 des Zylinders 2 von 0 mm bis 10 mm, insbesondere von 2 mm bis 6 mm beträgt. Der Abstand i der Kalotte 46 zur Zylinderbohrung 22 auf der Auslassseite 61 ist insbesondere größer als der Abstand g auf der Einlassseite 60. Sowohl der Abstand i als auch der Abstand g sind dabei in Blickrichtung der Längsmittelachse 50, insbesondere senkrecht zur Längsmittelachse 50 gemessen.
Wie die Fig. 5 und 6 zeigen, verläuft das Brennraumdach 45 im ebenen Bereich 58 senkrecht zur Längsmittelachse 50 des Zylinders 2. Zwischen dem ebenen Bereich 58 und dem Kolbenboden 43 ist ein Quetschspalt s im oberen Totpunkt OT gebildet. Der Quetschspalt s beträgt insbesondere weniger als 0,7 mm. Dadurch wird Gemisch aus diesem Bereich sehr schnell in den Bereich der Kalotte 46 verdrängt, so dass sich hohe Turbulenzen im Brennraum 3 ergeben. Dadurch wird eine schnelle Umsetzung des Gemischs im Brennraum 3 erreicht und der Restdruck im Brennraum 3, der beim Abwärtshub des Kolbens 5 zum Zeitpunkt des Öffnens der Überströmfenster 16, 17 besteht, kann verringert werden.
Im geneigten Bereich 59 ist das Brennraumdach 45 gegenüber dem Kolbenboden 43 um einen Winkel α geneigt. Im Ausführungsbeispiel verläuft der Kolbenboden 43 senkrecht zur Längsmittelachse 50. Der Winkel α kann bis zu 5° betragen.
Die Quetschfläche A des Brennraumdachs 45 ist in Fig. 4 eingezeichnet. Die Quetschfläche A umfasst die Bereiche 58 und 59, also alle Bereiche, in denen das Brennraumdach 45 um bis zu 5° zum Kolbenboden 43 geneigt verläuft. Der Anteil der Quetschfläche A des Brennraumdachs 45 an der Fläche B der Zylinderbohrung 22 beträgt insbesondere mindestens 40 %, insbesondere 40 % bis 50 %. Dadurch wird eine beschleunigte Verbrennung erreicht.
Im Ausführungsbeispiel ist die Kalotte 46 in einer Projektion in Richtung der Längsmittelachse 50 rund ausgebildet, wie insbesondere die Fig. 4 und 5 zeigen. Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Kalotte 46 mit unrundem Querschnitt ausgebildet ist. Die Kalotte 46 in Fig. 7 weist eine etwa elliptische Form auf. Die geometrische Mitte 47 der Kalotte 46 weist einen Abstand c zur Längsmittelachse 50 auf. Die Kalotte 46 weist eine größte Erstreckung d auf, die im Ausführungsbeispiel parallel zur Querebene 52 ausgerichtet ist. Die Kalotte 46 weist außerdem eine kleinste Erstreckung e auf, die im Ausführungsbeispiel senkrecht zur größten Erstreckung d gemessen ist. Die kleinste Erstreckung e ist im Ausführungsbeispiel in Richtung der Mittelebene 53 ausgerichtet. Die größte Erstreckung d zur kleinsten Erstreckung e beträgt insbesondere höchstens 1,1. In den Fig. 3, 4 und 7 ist auch der gemeinsame Abschnitt 19 der Überströmkanäle 14, 15 dargestellt.

Claims

Zweitaktmotor mit einem Zylinder (2), in dessen Zylinderbohrung (22) ein Brennraum (3) ausgebildet ist, wobei der Brennraum (3) von einem hin- und hergehend gelagerten Kolben (5) begrenzt ist, wobei der Kolben (5) eine in einem Kurbelgehäuse (6) drehbar gelagerte Kurbelwelle (8) antreibt, wobei ein Kurbelgehäuseinnenraum (7) des Kurbelgehäuses (6) über mindestens einen Überströmkanal (14, 15) in mindestens einer Stellung des Kolbens (5) fluidisch mit dem Brennraum (3) verbunden ist, wobei der mindestens eine Überströmkanal (14, 15) mit einer Mündungsöffnung (18) in den Kurbelgehäuseinnenraum (7) mündet und wobei der mindestens eine Überströmkanal (14, 15) mit mindestens einem Überströmfenster (16, 17) an der Zylinderbohrung (22) mündet, wobei der Zweitaktmotor (1) einen Ansaugkanal (23) und eine Kraftstoffzuführeinrichtung (25) zur Zufuhr von Kraftstoff in den Ansaugkanal (23) oder den Kurbelgehäuseinnenraum (7) und eine Auslassöffnung (13) aus dem Brennraum (3) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass alle Überströmkanäle (14, 15) eine von der Mündungsöffnung (18) zum Überströmfenster (16, 17) gemessene mittlere Länge (a₁, a₂) aufweisen, wobei die mittlere Länge (a₁, a₂) mindestens eines Überströmkanals (14, 15) bezogen auf den Hub (h) des Kolbens (5) mindestens 1,5 beträgt, und dass das Volumen des Kurbelgehäuseinnenraums (7) einschließlich aller Überströmkanäle (16, 17) bezogen auf den Hubraum höchstens 3,1 beträgt.
Zweitaktmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der mittleren Länge (a₁, a₂) mindestens eines, insbesondere jedes Überströmkanals (14, 15) zum Hub (h) des Kolbens (5) mindestens 2 beträgt.
Zweitaktmotor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Länge (a₁, a₂) jedes Überströmkanals (14, 15) bezogen auf den Hubraum des Zweitaktmotors (1) mindestens 2 mm/cm³ beträgt.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Länge (a₁, a₂) mindestens eines, insbesondere jedes Überströmkanals (14, 15) mindestens 50 mm, insbesondere mindestens 80 mm beträgt.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mündungsöffnung (18) mindestens eines Überströmkanals (14, 15), insbesondere die mindestens eine Mündungsöffnung (18) aller Überströmkanäle (14, 15), zumindest teilweise, insbesondere vollständig auf einer dem Zylinder (2) entfernt liegenden Seite einer Kurbelgehäuseebene (44) verläuft, wobei die Kurbelgehäuseebene (44) senkrecht zu einer Längsmittelachse (50) des Zylinders (2) verläuft und eine Drehachse (38) der Kurbelwelle (8) enthält.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das geometrische Verdichtungsverhältnis des Brennraums (3) mindestens 10,0 beträgt.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Quetschfläche (A) des Brennraumdachs (45) an der Fläche (B) der Zylinderbohrung (22) mindestens 40 %, insbesondere 40 % bis 50 % beträgt.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Quetschspalt (s) im oberen Totpunkt (OT) des Kolbens (5) weniger als 0,7 mm beträgt.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumdach (45) eine Kalotte (46) aufweist, deren geometrische Mitte (47) einen Abstand (c) zur Längsmittelachse (50) des Zylinders (2) aufweist.
Zweitaktmotor nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (2) eine Mittelebene (53) aufweist, die die Längsmittelachse (50) des Zylinders (2) enthält und die die Auslassöffnung (13) mittig teilt, dass der Zylinder (2) eine Querebene (52) aufweist, die die Längsmittelachse (50) des Zylinders (2) enthält und die senkrecht zur Mittelebene (53) steht und dass die geometrische Mitte (47) der Kalotte (46) auf der der Auslassöffnung (13) entfernt liegenden Seite der Querebene (52) angeordnet ist.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der größten Erstreckung (d) zur kleinsten Erstreckung (e) der Kalotte (46) in einer Projektion in Richtung der Längsmittelachse (50) des Zylinders (2) höchstens 1,1 beträgt.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmkanäle (14, 15) in einem an die Überströmfenster (16, 17) angrenzenden Endabschnitt (41, 42) so ausgerichtet sind, dass Gemisch aus den Überströmkanälen (14, 15) mit einer Richtungskomponente (49) in den Brennraum (3) einströmt, die von der Auslassöffnung (13) weg gerichtet ist.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der Zweitaktmotor (2) einen Luftkanal (11) zur Vorlagerung von Luft in mindestens einem Überströmkanal (14, 15) aufweist.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mündungsöffnung (18) des Überströmkanals (14, 15) sich über ein erstes Umfangssegment (55) des Zylinders (2) erstreckt und dass die Auslassöffnung (13) sich über ein zweites Umfangssegment (56) des Zylinders (2) erstreckt, wobei das erste Umfangssegment (55) und das zweite Umfangssegment (56) sich zumindest teilweise überdecken.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Überströmkanal (14, 15) wendelförmig um die Zylinderbohrung (22) verläuft.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Überströmkanäle (14, 15), insbesondere alle Überströmkanäle (14, 15) an einer gemeinsamen Mündungsöffnung (18) in den Kurbelgehäuseinnenraum (7) münden.