DE10218200A1

DE10218200A1 - Zweitaktmotor

Info

Publication number: DE10218200A1
Application number: DE10218200A
Authority: DE
Inventors: Joerg Schlossarczyk; Werner Geyer
Original assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Current assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2022-04-25
Also published as: US20030200941A1; DE10218200B4; FR2839118A1; FR2839118B1; CN1453463A; CN1328488C; US6857402B2

Abstract

Ein Zweitaktmotor, insbesondere für ein tragbares, handgeführtes Arbeitsgerät, wie Motorsägen, Trennschleifer oder dgl., besitzt einen in einem Zylinder (2) ausgebildeten Brennraum (3), der durch einen auf- und abgehenden Kolben (4) begrenzt ist. Der Zweitaktmotor (1) besitzt Überströmkanäle (15, 15', 15'', 16, 16', 16''), die mit einer Mündungsöffnung (19, 20) in das Kurbelgehäuse (8) münden und in bestimmten Stellungen des Kolbens (4) das Kurbelgehäuse (8) fluidisch mit dem Brennraum (3) verbinden. Der Zweitaktmotor (1) weist einen Ansaugkanal (11) zur Zufuhr von Kraftstoff/Luft-Gemisch über einen Einlaß (9) ins Kurbelgehäuse (8) auf und ist an einen Luftfilter (13) angeschlossen. Mindestens ein Luftkanal (12) führt mindestens einem Überströmkanal (15, 15', 15'', 16, 16', 16'') zusätzliche Verbrennungsluft zu. Für ein gutes belastungsunabhängiges Kraftstoff/Luft-Verhältnis ist vorgesehen, daß die Länge (a) des Ansaugkanals (11) bis zu 60% der Länge (b) des Reinluftpfades beträgt, wobei die Länge (b) des Reinluftpfades die mittlere Kanallänge vom Luftfilter (13) zur Mündungsöffnung (19, 20) eines Überströmkanals (15, 16) in das Kurbelgehäuse (8) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Aus der WO 01/51785 A1 ist bekannt, Luftpfad und Gemischpfad etwa gleich lang auszubilden, wobei die Länge des Gemischpfades zwischen dem 0,6-fachen und dem 1,4-fachen der Länge des Luftpfads liegen soll. Hierdurch sollen Luftpfad und Gemischpfad aufeinander abgestimmt sein um das Kraftstoff/Luft-Verhältnis unabhängig von Belastungsschwankungen konstant zu halten.
Der Luftpfad schließt die Länge der Überströmkanäle mit ein. Da der Gemischpfad etwa gleich lang wie der Luftpfad sein soll, ergeben sich ungünstige räumliche Verhältnisse, da der Gemischpfad im Verhältnis zu dem außerhalb des Zylinders liegenden Anteil des Luftpfads vergleichsweise lang ausgebildet werden muß. Dabei hat sich gezeigt, daß bei etwa gleich lang ausgebildetem Luft- und Gemischkanal das Kraftstoff/Luft-Verhältnis im Brennraum nicht optimal für den gesamten Betriebsdrehzahlbereich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweitaktmotor der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der ein auf die jeweilige Belastung abgestimmtes, günstiges Kraftstoff/Luft-Verhältnis im Brennraum aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Zweitaktmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein gutes dynamisches Verhalten des Zweitaktmotors ergibt sich, wenn die Länge des Ansaugkanals vom Luftfilter bis zum Einlaß ins Kurbelgehäuse nur bis etwa 60% der Länge des Reinluftpfads beträgt. Die Länge des Reinluftpfads ist dabei die mittlere Kanallänge vom Luftfilter bis zur Mündungsöffnung der Überströmkanäle in das Kurbelgehäuse. Dadurch, daß der Ansaugkanal kürzer als der Reinluftpfad ausgebildet ist, ergibt sich darüber hinaus eine günstige Bauform. Luftkanal und Ansaugkanal können dabei insbesondere an einem Luftfilter angeschlossen sein.
Es ist vorgesehen, daß die Länge des Ansaugkanals mehr als 20% des Reinluftpfades beträgt. Für ein günstiges Kraftstoff/Luft-Verhältnis und damit geringe Abgaswerte entspricht die widerstandsrelevante Fläche im Reinluftpfad zweckmäßig dem 1,7-fachen bis zum 5,0-fachen der widerstandsrelevanten Fläche des Ansaugkanals. Vorzugsweise ist sie etwa doppelt so groß. Die widerstandsrelevante Fläche ist dabei insbesondere der engste Querschnitt im Reinluftpfad bzw. im Ansaugkanal. Zweckmäßig entspricht das Verhältnis der widerstandsrelevanten Fläche des Reinluftpfads zur Länge des Reinluftpfads etwa dem Verhältnis der widerstandsrelevanten Fläche des Ansaugkanals zur Länge des Ansaugkanals. Das Verhältnis von widerstandsrelevanter Fläche zur Länge ist somit für Reinluftpfad und Gemischpfad konstant. Nach der Helmholtzgleichung ergibt sich nach der Formel

mit der Schallgeschwindigkeit c, der widerstandsrelevanten Fläche A, der Länge L und dem Kurbelgehäusevolumen V für Gemischpfad und Reinluftpfad die gleiche Helmholtzfrequenz. Reinluftpfad und Gemischpfad sind somit auf das gleiche Frequenzverhalten abgestimmt. Der Zweitaktmotor weist dadurch ein gutes dynamisches Verhalten auf.
Für ein gutes Spülergebnis ist vorgesehen, daß der Zweitaktmotor vier, symmetrisch zu einer mittleren Symmetrieebene angeordnete, Überströmkanäle aufweist. Zweckmäßig sind jedem Kolbenfenster zwei Überströmkanäle zugeordnet. Vorteilhaft gabelt der Luftkanal sich im Bereich des Zylinders in zwei Teilkanäle, wobei jeder Teilkanal in bestimmten Kolbenstellungen mit einem Kolbenfenster verbunden ist. Zweckmäßig können zwei Luftkanäle vorgesehen sein, wobei jeder Luftkanal in bestimmten Kolbenstellungen mit einem Kolbenfenster verbunden ist. Vorteilhaft ist für ein symmetrisches Spülbild die widerstandsrelevante Fläche jedes Luftkanals etwa gleich groß.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden in allen Merkmalen anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zweitaktmotors im Längsschnitt,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen Zweitaktmotor auf der Höhe des Auslasses.
Der in Fig. 1 dargestellte Zweitaktmotor 1 weist einen Zylinder 2 mit einer Zylinderlängsachse 24 und einen im Zylinder 2 ausgebildeten Brennraum 3 auf. Der Brennraum 3 wird von einem auf- und abgehenden Kolben 4 begrenzt, der in Fig. 1 in einer oberen Stellung 4a nahe dem OT gestrichelt dargestellt ist. Der Kolben 4 treibt über ein Pleuel 5 eine Kurbelwelle 6 an, die im Kurbelgehäuse 8 drehbar um die Kurbelwellenachse 7 gelagert ist. Dem Kurbelgehäuse 8 wird durch den Einlaß 9 aus dem Ansaugkanal 11 Kraftstoff/Luft-Gemisch zugeführt. Der Ansaugkanal 11 ist an einem Luftfilter 13 angeschlossen und über einen Teilabschnitt seiner Länge in einem Vergaser 18 ausgebildet. Der Zweitaktmotor 1 weist insgesamt vier symmetrisch zu einer Mittelebene angeordnete Überströmkanäle 15 und 16 auf, wobei zwei Überströmkanäle 15 auslaßnah und zwei Überströmkanäle 16 auslaßfern angeordnet sind. Die Überströmkanäle 15, 16 münden mit Mündungsöffnungen 19, 20 ins Kurbelgehäuse 8 und mit Einlaßfenstern 25, 26 in den Brennraum 3. In vorgegebenen Kolbenstellungen, wie in der in Fig. 1 gezeigten Stellung des Kolbens 4, sind Kurbelgehäuse 8 und Brennraum 3 über die Überströmkanäle 15, 16 fluidisch miteinander verbunden.
Im Umfang des Kolbens 4 sind zwei symmetrisch zur Zylindermittelebene angeordnete Fenster 17 vorgesehen, von denen eines in Fig. 1 dargestellt ist. In der in Fig. 1 strichliert gezeichneten Stellung 4a des Kolbens verbindet das in dieser Stellung mit 17a bezeichnete Kolbenfenster einen Luftkanal 12 mit den Einlaßfenster 25, 26 der Überströmkanäle 15, 16. Der Luftkanal 12 ist an den Luftfilter 13 angeschlossen. Im Luftkanal 12 kann stromab des Luftfilters 13 ein Drosselorgan angeordnet sein, das zweckmäßig mit der Drosselklappe des Vergasers 18 gekoppelt ist. Der Luftkanal 12 ist im Bereich des Zylinders 2 in zwei Teilkanäle 23 gegabelt, die zweckmäßig symmetrisch ausgebildet sind. Vorteilhaft mündet jeder Teilkanal 23 im Bereich eines Kolbenfensters 17a in dessen gezeigter Stellung.
Die widerstandsrelevante Fläche 22 des Luftkanals 12 bezeichnet die Fläche mit dem kleinsten für den Durchfluß relevanten Querschnitt. Die Länge b des Reinluftpfads setzt sich aus der Länge des Luftkanals 12 vom Luftfilter 13 zum Kolbenfenster 17, der mittleren Länge im Kolbenfenster 17 zu den Einlaßfenstern 25, 26 der Überströmkanäle 15, 16 und der mittleren Länge der Überströmkanäle 15, 16 bis zu den Mündungsöffnungen 19, 20 zusammen. Da der Weg durch den Überströmkanal 16 kürzer als der durch den Überströmkanal 15 ist, wird für die Länge b das arithmetische Mittel der beiden Längen berücksichtigt. Zur Verdeutlichung ist die Länge b im Überströmkanal 16 gestrichelt dargestellt. Bei der Ermittlung der widerstandsrelevanten Fläche 22 werden die parallel im Strömungspfad angeordneten Überströmkanäle 15 und 16 gemeinsam berücksichtigt. Die Länge a des Ansaugkanals 11 bezeichnet die Länge des Ansaugkanals vom Luftfilter 13 bis zum Einlaß 9 ins Kurbelgehäuse 8. Der widerstandsrelevante Querschnitt 21 des Ansaugkanals 11bezeichnet dabei den kleinsten für den Durchfluß relevanten Querschnitt im Ansaugkanal.
Beim Betrieb des Zweitaktmotors 1 wird bei Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 in Richtung OT, also vom Kurbelgehäuse 8 in Richtung Brennraum 3, Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Ansaugkanal 11 durch den Einlaß 9 ins Kurbelgehäuse 8 angesaugt. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 4 in Richtung UT wird dieses Gemisch im Kurbelgehäuse 8 verdichtet. Sobald die Einlaßfenster 25 und 26 der Überströmkanäle 15 und 16 vom Kolben 4 freigegeben sind, wird das Kraftstoff/Luft- Gemisch aus dem Kurbelgehäuse 8 in den Brennraum 3 gefördert. Bei erneutem Aufwärtshub des Kolbens 4 wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum 3 verdichtet und von der Zündkerze 14 gezündet. Die Abgase werden nach Öffnen des Auslasses 10 aus dem Brennraum ausgelassen. Während die Abgase den Brennraum 3 durch den Auslaß 10 verlassen, strömt bereits neues Kraftstoff/Luft-Gemisch durch die Überströmkanäle 15, 16 in den Brennraum 3. Um zu verhindern, daß frisches Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Brennraum 3 entweicht, ist dem Frischgemisch kraftstoffarmes oder -freies Gas wie z. B. Luft vorgelagert. Hierzu werden die Einlaßfenster 25 und 26 der Überströmkanäle 15 und 16 im Bereich des oberen Totpunkts während des Ansaughubes über das Kolbenfenster 17 mit dem Luftkanal 12 verbunden. Durch den Luftkanal 12 strömt weitgehend kraftstofffreie Verbrennungsluft in die Überströmkanäle 15 und 16. Diese reine Luft ist dem Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Kurbelgehäuse 8 vorgelagert und strömt seitlich vor dem Gemisch in den Brennraum ein, so daß die Luft das Gemisch von den Abgasen trennt.
Für ein im gesamten Drehzahlbereich optimales Kraftstoff/Luft-Verhältnis im Brennraum 3 müssen der Reinluftpfad und der Ansaugkanal 11 aufeinander abgestimmt sein. Hierzu beträgt die Länge a des Ansaugkanals 11 mehr als 20% und bis zu 60% der Länge b des Reinluftpfads. Ein günstiges Kraftstoff/Luft-Verhältnis im Brennraum ergibt sich, wenn die widerstandsrelevante Fläche 22 im Reinluftpfad dem 1,7-fachen bis zum 5,0-fachen der widerstandsrelevanten Fläche 21 des Ansaugkanals 11 entspricht. Vorteilhaft ist die widerstandsrelevante Fläche 22 des Reinluftpfads etwa doppelt so groß wie die widerstandsrelevante Fläche 21 des Ansaugkanals 11. Für eine gute dynamische Abstimmung ist vorgesehen, daß das Verhältnis der widerstandsrelevanten Fläche 22 des Reinluftpfads zur mittleren Länge b des Reinluftpfads etwa dem Verhältnis der widerstandsrelevanten Fläche 21 des Ansaugkanals 11 zur Länge a des Ansaugkanals 11 entspricht. Die Helmholtzfrequenz ist dadurch in Ansaugkanal und Reinluftpfad gleich. Ist die widerstandsrelevante Fläche 22 des Reinluftpfads beispielsweise doppelt so groß wie die widerstandsrelevante Fläche 21 des Ansaugkanals 11, ergibt sich für die Länge b des Reinluftpfads das Doppelte der Länge a des Ansaugkanals 11.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel schematisch im Schnitt senkrecht zur Zylinderlängsachse 24 etwa auf der Höhe des Auslasses 10 dargestellt. Der Kolben 4 besitzt zwei symmetrisch angeordnete, einander gegenüberliegende Kolbenfenster 17' und 17", die in der dargestellten Kolbenstellung jeweils einen Luftkanal 12', 12" mit zwei Überströmkanälen 15', 16' bzw. 15", 16" verbinden. Die widerstandsrelevante Fläche 22 des Reinluftpfads setzt sich aus der widerstandsrelevanten Fläche 22' des Luftkanals 12' und der widerstandsrelevanten Fläche 22" des Luftkanals 12" zusammen. Die widerstandsrelevante Fläche 22' bzw. 22" bezeichnet jeweils den engsten Querschnitt über die Länge des Reinluftpfads, somit kann sie auch im Kolbenfenster 17', 17" oder in den Überströmkanälen 15', 16', 15", 16" zu messen sein. Ein symmetrisches Spülbild im Brennraum 3 ergibt sich, wenn die widerstandsrelevante Fläche 22' und die widerstandsrelevante Fläche 22" gleich groß sind. Die Länge b des Reinluftpfades erstreckt sich vom Luftfilter 13 längs des Luftkanals 12' bzw. 12" durch das Kolbenfenster 17', 17" und längs der Überströmkanäle 15' und 16' bzw. 15" und 16" bis zu deren in Fig. 2 nicht dargestellter Mündungsöffnung 19, 20 (Fig. 1) ins Kurbelgehäuse 8.
Der Ansaugkanal 11, der über einen Längsschnitt teilweise in einem in Fig. 2 nicht dargestellten Vergaser 18 (Fig. 1) ausgebildet ist, erstreckt sich mit der Länge a vom Luftfilter 13 bis zum Kurbelgehäuse 8 (Fig. 1). Die Länge a des Ansaugkanals 11 beträgt etwa 20% bis 60% der Länge b eines Reinluftpfades.
Es kann vorteilhaft sein, daß der Luftkanal über ein Ventil in einen oder mehrere Überströmkanäle mündet. Vorteilhaft liegt die Mündungsöffnung des Luftkanals in einen Überströmkanal im Bereich eines Einlaßfensters, um eine vollständige Füllung der Überströmkanäle zu erreichen. Es kann vorteilhaft sein, nur zwei der vier Überströmkanäle mit einem Luftkanal zu verbinden, vorzugsweise die auslaßnah angeordneten Überströmkanäle 15', 15".

Claims

1. Zweitaktmotor, insbesondere für ein tragbares, handgeführtes Arbeitsgerät wie Motorsägen, Trennschleifer oder dgl., mit einem in einem Zylinder (2) ausgebildeten Brennraum (3), der durch einen auf- und abgehenden Kolben (4) begrenzt ist, wobei der Kolben (4) über ein Pleuel (5) eine in einem Kurbelgehäuse (8) drehbar gelagerte Kurbelwelle antreibt, und das Kurbelgehäuse (8) über Überströmkanäle (15, 15', 15", 16, 16', 16") in vorgegebenen Stellungen des Kolbens (4) fluidisch mit dem Brennraum (3) verbunden ist und jeder Überströmkanal (15, 15', 15", 16, 16', 16") mit einer Mündungsöffnung (19, 20) in das Kurbelgehäuse (8) mündet, wobei der Zweitaktmotor (1) einen Ansaugkanal (11) zur Zufuhr eines Kraftstoff/Luft-Gemisches über einen Einlaß (9) ins Kurbelgehäuse (8) aufweist und der Ansaugkanal (11) mindestens teilweise in einem Vergaser (18) ausgebildet und an einem Luftfilter (13) angeschlossen ist, und wobei mindestens ein Luftkanal (12) mindestens einem Überströmkanal (15, 16) im wesentlichen kraftstofffreie Verbrennungsluft zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Luftfilter (13) bis zum Einlaß (9) ins Kurbelgehäuse (8) gemessene Länge (a) des Ansaugkanals (11) bis zu etwa 60% der Länge (b) des Reinluftpfads beträgt, wobei sich die Länge (b) des Reinluftpfads über die mittlere Kanallänge vom Luftfilter (13) bis zur Mündungsöffnung (19, 20) eines Überströmkanals (15, 16) in das Kurbelgehäuse (8) erstreckt.

2. Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (a) des Ansaugkanals (11) mehr als 20% der Länge (b) des Reinluftpfades beträgt.

3. Zweitaktmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die widerstandsrelevante Fläche (22) im Reinluftpfad dem 1,7-fachen bis zum 5,0- fachen der widerstandsrelevanten Fläche (21) des Ansaugkanals (11) entspricht, insbesondere etwa doppelt so groß ist.

4. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der widerstandsrelevanten Fläche (22) des Reinluftpfads zur Länge (b) des Reinluftpfads etwa dem Verhältnis der widerstandsrelevanten Fläche (21) des Ansaugkanals (11) zur Länge (a) des Ansaugkanals (11) entspricht.

5. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweitaktmotor (1) vier symmetrisch angeordnete Überströmkanäle (15, 15', 15", 16, 16', 16") aufweist.

6. Zweitaktmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Kolbenfenster (17) zwei Überströmkanäle (15, 15', 15", 16, 16', 16") zugeordnet sind.

7. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftkanal (12) sich im Bereich des Zylinders (2) in zwei Teilkanäle (23) gabelt, wobei jeder Teilkanal (23) in vorgegebenen Kolbenstellungen mit dem Kolbenfenster (17) verbunden ist.

8. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Luftkanäle (12', 12") vorgesehen sind, wobei jeder Luftkanal (12', 12") in bestimmten Kolbenstellungen mit einem Kolbenfenster (17', 17") verbunden ist.

9. Zweitaktmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die widerstandsrelevante Fläche (22', 22") jedes Luftkanals (12', 12") gleich groß ist.