Motorvorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenmotors

Die Erfindung betrifft eine Motorvorrichtung mit einem Hubkolbenmotor, insbesondere einem Zweitakt-Verbrennungsmotor. Die Erfindung betrifft femer ein Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenmotors.

Es wird allgemein eine bessere Ausnutzung von Kraftstoff angestrebt. Dies gilt auch für Verbrennungsmotoren, die im Outdoorbereich benutzte Geräte wie z. B. Motorsägen antreiben. Aufgrund ihres geringen Gewichts und leichten Handlings werden hier bevorzugt Zweitakt-Verbrennungsmotoren eingesetzt, die in der Regel jedoch nicht besonders sparsam sind.

In gesundheitlicher Hinsicht ist es erstrebenswert, die bei der Verbrennung entstehenden Abgase von Motoren schadstofffrei und oder zumindest so schadstoffarm zu halten, dass sie keine oder keine größeren Mengen an karzinogenen Stoffen ausstoßen, welche zu erheblichen Gesundheitsschäden führen können.

Zweitakt-Verbrennungsmotoren haben den Vorteil einer hohen Leistungs- dichte bei geringem Gewicht. Die Abgase enthalten jedoch einen hohen Anteil von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, da sich prinzipbedingt auf Grund der Kraftstoff zufuhr vom Kurbelraum durch überströmkanäle in den Brennraum des Motors bei geöffneter Abgasöffnung immer unverbranntes Frischgas in das Abgas mischt. Neben der hohen Schadstoffbelastung geht dabei auch ein nicht zu vernachlässigender Anteil an Kraftstoff ungenutzt verloren, welcher den Wirkungsgrad des Motors signifikant verschlechtert.

Ein weiterer Nachteil beim Betrieb von Zweitakt-Verbrennungsmotoren ist die Beimengung von Schmieröl in den Kraftstoff, welches beim Zerstäuben (Vergasen) des Kraftstoffes im Kurbelraum verbleibt und die inneren Oberflächen des Kurbelgehäuses benetzt. Deshalb kann Schmieröl auch in den Brennraum und in den Auspuffbereich gelangen, aus dem es mit dem Abgas unverbrannt in die Umgebungsluft abgegeben wird und zu einer Verschlechterung der Abgaswerte beiträgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, beim Betrieb eines Hubkolbenmotors, insbesondere eines Zweitakt-Verbrennungsmotors, die Abgasbelastung zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Motorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung stellt ein neuartiges Konzept zum Betrieb eines Zweitakt- Verbrennungsmotors vor. Der Schadstoffanteil im Abgas ist erheblich verringert, da der Brennraum des Motors nicht mit Frischgas, sondern nur mit komprimierter Luft gespült wird, die nicht mit Kraftstoff vermischt ist. Somit können selbst strenge Abgasnormen eingehalten werden.

Die Erfindung sieht eine direkte Kraftstoffeinspritzung vor, so dass auf einen Vergaser mit all seinen Nachteilen verzichtet werden kann.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass sowohl niedersiedende brennbare Kohlenwasserstoffe wie Benzin, Methanol oder Ethanol als auch gasförmige wie Butan, Propan oder Methan als Kraftstoff verwendet werden können. Grundsätzlich können auch Kraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen wie Rapsöl oder Biogas, oder auch Dieselöl oder Kerosin als Kraftstoff (ohne Fremdzündung) eingesetzt werden. Um den Betrieb mit diesen verschiedenen Kraftstoffen zu ermöglichen, ist der Vorverdichter vorgesehen, der die Ansaugluft im Kurbelraum des Motorgehäuses drehzahlabhängig auf einen Druck komprimiert, der höher als der in der Umgebung herrschende Normalluftdruck ist.

Ein weiterer Vorzug der Erfindung ist es, dass insbesondere bei einer Ausfüh- rung als Kleinmotor mit kleinem Hubraum ein weiter Leistungsbereich abgedeckt wird. Dies ermöglicht ein geringes Gesamtgewicht und -volumen, was beim Einsatz in Gartengeräten oder dergleichen von Vorteil ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- Figur 1 eine erfindungsgemäße Motorvorrichtung in Draufsicht;

- Figur 2 eine Schnittansicht eines Vorverdichters für die erfindungsgemäße Motorvorrichtung;

- Figur 3 einen Vorverdichter mit angebauter Verdrängerpumpe; und

- Figuren 4a bis 4c schematisch verschiedene Betriebszustände der erfin- dungsgemäßen Motorvorrichtung.

Der Aufbau und die Funktionsweise eines konventionellen Zweitakt-Verbrennungsmotors sind dem Fachmann bekannt, so dass im Folgenden vornehmlich die erfindungsgemäßen Besonderheiten und Abweichungen beschrieben werden.

In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Motorvorrichtung 10 mit einem Hubkolbenmotor, vorzugsweise ein Einzylinder-Zweitakt-Verbrennungsmotor, dargestellt. Der Motor weist einen an eine Kurbelwelle 12 gekoppelten Kolben auf, der im Zylinder zyklisch zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt verschiebbar ist. Der Motor ist in einem Motorkurbelgehäuse 14 unterge- bracht, das vorzugsweise aus Leichtmetall besteht. Aus dem Motorkurbelgehäuse 14 ragt ein Ende der Kurbelwelle 12 heraus, das zur Aufnahme einer Kupplung ausgebildet ist. Auf der entgegengesetzten Seite des Motorkurbelgehäuses 14 ist ein Gebläserad 16 an die Kurbelwelle 12 gekoppelt. Außerdem ist dort ein magnetischer Signalgeber 18 für eine elektronische Zündanlage angeordnet, zu der auch eine Zündkerze 20 gehört. Die elektronische Zündanlage, die eine herkömmliche Magnetzündanlage mit Zündspule ersetzt, wird jedoch nur im Falle fremd gezündeter Kraftstoffe benötigt. Ferner ist ein als Auspuff 22 ausgebildeter Schalldämpfer mit dem Motorkurbelgehäuse 14 verschraubt.

Auf der entgegengesetzten Seite ist ein Vorverdichter 24 in Form einer Drehkolbenpumpe, die in Figur 2 im Detail dargestellt ist, mit seiner Druckseite 26 an das Motorkurbelgehäuse 14 angeflanscht. Dort ist eine bewegliche Membran 28 angeordnet, vorzugsweise eine Stahlplatte, deren Steuerfunktion später noch erläutert wird. Auf seiner Saugseite 30 weist der Vorverdichter 24 einen Luftein- lass 32 auf. Der Vorverdichter 24 wird über ein endloses Kraftübertragüber- tragungselement 34, vorzugsweise einen Zahnriemen, von der Kurbelwelle 12 angetrieben. Das drehfest an die Kurbelwelle 12 gekoppelte erste Zahnriemenrad

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und das drehfest an eine Antriebswelle 36 des Vorverdichters 24 gekoppelte zweite Zahnriemenrad bilden zusammen mit dem Zahnriemen ein Riemengetriebe, dessen übersetzungsverhältnis durch die Wahl der Durchmesser der Zahnriemenräder vorgegeben werden kann.

An den Vorverdichter 24 ist eine in Figur 3 genauer dargestellte Verdrängerpumpe 40 in Form einer Zahnradhochdruckpumpe angebaut. In vorteilhafter Ausführung ist das Gehäuse der Verdrängerpumpe 40 als Teil des Verdichtergehäuses 42 angeflanscht. Die Verdrängerpumpe 40 fördert über eine Saugleitung 44 Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 46. Die Hochdruckseite 48 der Verdränger- pumpe 40 ist mit einer Kraftstoffleitung verbunden. Die Kraftstoffleitung umfasst ein Kapillarrohr 50 mit einer Einspritzdüse, das durch die Zylinderwand direkt in den Brennraum des Motors führt (siehe Figuren 4a bis 4c).

Figur 2 zeigt den wesentlichen Aufbau des Vorverdichters 24. Zwei Rotoren 52, 54, genauer gesagt ein Läufer 52 und ein Gegenläufer 54, sind drehfest an die Antriebswelle 36 bzw. an eine parallele Welle 38 gekoppelt, die beide kugelgelagert sind. Das Profil der identisch geformten Rotoren 52, 54 entspricht einer Lemniskate (liegende 8). Die Rotoren 52, 54 sind in Drehrichtung um 90° zueinander versetzt. Damit die Rotoren 52, 54 in berührungslosem Eingriff miteinander stehen und der nicht angetriebene Gegenläufer 54 drehzahlgleich in umgekehrter Richtung mit dem Läufer 52 mitdreht, ist den beiden Rotoren 52, 54 stirnseitig ein Getriebe in Form zweier kämmender Zahnräder 56, 58 vorgelagert (siehe Figur 3), die drehfest an die Wellen 36, 38 gekoppelt sind.

Die Rotoren 52, 54 drehen sich in einem an die Form der Rotoren 52, 54 angepassten Pumpenraum 60, der im Vorverdichtergehäuse 42 gebildet ist. Das Vorverdichtergehäuse 42 besteht vorzugsweise aus Kunststoff und weist auf der Saugseite 30 einen ersten Durchbruch 62 zum Pumpenraum 60 auf, der mit dem Lufteinlass 32 in Verbindung steht. Insoweit ist der Vorverdichter 24 wie ein konventionelles Roots-Gebläse ausgebildet.

An einem druckseitigen Gehäusedurchbruch 64 des Vorverdichters 24, der eine Strömungsverbindung vom Pumpenraum 60 zum Kurbelraum des Motors herstellt, ist - wie bereits erwähnt - die Membran 28 angeordnet. Die Membran

28 ist so ausgelegt, dass sie die Strömungsverbindung zwischen der Druckseite

26 des Vorverdichters 24 und dem Kurbelraum des Motors nach Art eines Rück-

schlagventils freigeben oder verschließen kann, wie später noch erläutert wird. Die Membran 28 ist beweglich und oszilliert im laufenden Betrieb der Motorvorrichtung 10 aufgrund der wechselnden Druckunterschiede zwischen dem Druck auf der Druckseite 26 des Vorverdichters 24 und dem von der Kolben- Stellung abhängigen Druck im Kurbelraum.

Eine weitere Besonderheit des Vorverdichters 24 besteht darin, dass in der Mitte der Wellen 36, 38 jeweils in Längsrichtung eine Bohrung 66 vorgesehen ist, die mit einer Querbohrung 68 im jeweiligen Rotor 52, 54 verbunden ist und am Rand eines Flügels in maximaler Entfernung vom Mittelpunkt des Rotors 52, 54 in Form einer Düse 70 endet. Die beiden Bohrungen 66, 68 sind Teil einer weiteren Kraftstoff leitung, wie nachfolgend anhand der Figur 3 erläutert wird. Die Düse 70 ist fast während der gesamten Umdrehung des Rotors 52, 54 durch die Wand des Pumpenraums 60 oder den anderen Rotor 54, 52 abgedichtet. Diese Konstruktion sorgt dafür, dass im Wesentlichen nur dann, wenn die Düse 70 in Strö- mungsverbindung mit dem druckseitigen Gehäusedurchbruch 64 steht, kurzzeitig Kraftstoff in den vom Vorverdichter 24 geförderten Luftstrom eingespritzt wird.

Figur 3 zeigt schematisch den Vorverdichter 24 mit der angebauten Verdrängerpumpe 40 (im unteren Teil der Figur um 90° gekippt) bei geöffneter Pumpenkammer 72. Gemäß einem besonders vorteilhaften Aspekt der Erfindung sind die beiden in die Pumpenkammer 72 eingepassten kämmenden Zahnräder 56, 58 der Verdrängerpumpe 40 dieselben Zahnräder, die auch das Getriebe für die Rotoren 52, 54 bilden. Die Zahnräder 56, 58 erfüllen somit eine Doppelfunktion, die zu einer Einsparung von Bauteilen und Bauraum führt.

Neben dem Lufteinlass 32 auf der Saugseite 30 des Vorverdichters 24 ist die Saugleitung 44 aus einer mittleren Gehäuseplatte 74 zum Kraftstofftank 46 angeordnet. Der Saugleitung 44 gegenüber sind auf einer Abschlussplatte 76 das Kapillarrohr 50 und eine Kraftstoffrücklaufleitung 78 zum Kraftstofftank 46 angebaut. Die Hochdruckseite 48 der Verdrängerpumpe 40 ist entgegengesetzt zur Saugseite 80 angeordnet. Kreuzende Bohrungen führen von der Hochdruckseite 48 durch die mittlere Gehäuseplatte 74 zur Abschlussplatte 76 in einen Verteilerraum, in dem sich die kreuzenden Bohrungen treffen. Der Verteilerraum stellt eine Verbindung zu den Längsbohrungen 66 der Wellen 36, 38 her. Somit kann ein Teil des von der Verdrängerpumpe 40 geförderten Kraftstoffs durch die

Wellen 36, 38 und die Rotoren 52, 54 in den vom Vorverdichter 24 geförderten Luftstrom zur zyklischen Bildung von Frischgas geleitet werden. Im Verteilerraum ist noch eine vorzugsweise durch ein Gewinde verstellbare Einrichtung zur Kraftstoffmengenregulierung angeordnet (nicht dargestellt).

Nachfolgend wird der erfindungsgemäße Betrieb des Motors mithilfe des Vorverdichters 24 und der Verdrängerpumpe 40 beschrieben. Die Figuren 4a bis 4c zeigen die Motorvorrichtung 10 (ohne Verdrängerpumpe) in bestimmten Betriebs- zuständen, woraus sich die durch den Kolben 80 des Motors gesteuerten Steuerzeiten für die Befüllung des Kurbelraums 82 mit angesaugter Luft und des Brenn- raums 84 mit Frischgas durch den Vorverdichter 24 ergeben.

Aus den Figuren 4a bis 4c geht ferner hervor, dass oberhalb des Kolbens 80 der Brennraum 84 des Motors und unterhalb des Kolbens 80 der Kurbelraum 82 gebildet sind. Die Einspritzdüse 86 des Kapillarrohrs 50 mündet direkt in den Brennraum 84, ebenso wie eine weiter unten angeordnete überströmöffnung 88 eines überströmkanals 90. Ferner ist eine ebenfalls unterhalb der Einspritzdüse 86 angeordnete Abgasöffnung 92 in Form eines Schlitzes zu einer vom Brennraum 84 wegführenden Abgasleitung vorgesehen. In den Kurbelraum 82 mündet eine Kurbelraumöffnung 94, die unterhalb des unteren Totpunkts des Kolbens 80 liegt und daher nie vom Kolben 80 überdeckt wird.

In Figur 4a befindet sich der Kolben 80 am oberen Totpunkt. In dieser Stellung sind sowohl die Einspritzdüse 86, die überströmöffnung 88 als auch die Abgasöffnung 92 durch den Kolben 80, genauer gesagt durch das Kolbenhemd, verschlossen.

Beim Starten des Motors wird die als Steuereinrichtung dienende Membran 28 durch die vom Vorverdichter 24 geförderte Luft in eine vordere Position 96 gedrückt und verschließt damit den Zugang von der Druckseite 26 des Vorverdichters 24 zum Kurbelraum 82. In der vorderen Position 96 gibt die Membran 28 jedoch den Weg von der Druckseite 26 des Vorverdichters 24 zum überströmkanal 90 frei, so dass mit Kraftstoff angereicherte Luft (Frischgas) durch den überströmkanal 90 in Richtung Brennraum 84 bewegt wird, der aber noch durch den Kolben 80 abgedichtet ist.

Durch die Volumenverkleinerung des Kurbelraums 82 bei der Bewegung des Kolbens 80 in Richtung unterer Totpunkt (Eintauchen des Kolbens 80) steigt der Innendruck im Kurbelraum 82 so weit an, dass die Membran 28 selbsttätig in eine hintere Position 98 gedrückt wird. In der hinteren Position 98 der Membran 28 sind die Strömungsverbindungen zwischen der Druckseite 26 des Vorverdichters 24 und der Kurbelraumöffnung 94 sowie zwischen der Kurbelraumöffnung 94 und dem überströmkanal 90 freigegeben, wogegen die Strömungsverbindung zwischen der Druckseite 26 des Vorverdichters 24 und dem überströmkanal 90 verschlossen ist. Somit kann Luft vom Vorverdichter 24 in den Kurbelraum 82 ein- treten. Diese Luft enthält aber keinen Kraftstoff, da die Düsen der Rotoren 52, 54 nur kurz bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung (wenn das übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle 12 und der Antriebswelle 1 :1 ist) im Bereich des Gehäusedurchbruchs 64 Kraftstoff abgeben. Die Stellung der Rotoren 52, 54 wurde dementsprechend auf die Kolbenstellung abgestimmt, wie aus den Figu- ren 4a bis 4c hervorgeht.

Wenn der Kolben 80 auf seinem Weg zum unteren Totpunkt die Stellung gemäß Figur 4b passiert, wird die Abgasöffnung 92 vom Kolben 80 freigegeben und Abgas kann durch die Abgasleitung entweichen. Wenn sich die Abgasöffnung 92 im Verlauf der Kolbenbewegung vergrößert und der Druck im Kurbel- räum 82 zunimmt, wird die komprimierte Luft aus dem Kurbelraum 82, die keinen unverbrannten Kraftstoff enthält, durch den überströmkanal 90 in den Brennraum 84 gedrückt und drängt das Abgas durch die Abgasöffnung 92 aus dem Brennraum 84 (Spülen des Brennraums).

Beim Erreichen des unteren Totpunkts (Kolbenstellung gemäß Figur 4c) ist der Druck im Kurbelraum 82 so weit abgesunken, dass die Membran 28 wieder in ihre vordere Ausgangsposition 96 gedrückt wird. Dadurch wird wieder durch die Rotoren 52, 54 mit Kraftstoff angereicherte Luft (Frischgas) durch den überströmkanal 90 in den Brennraum 84 gepresst. Wenn durch die Bewegung des Kolbens 80 nach oben die Abgasöffnung 92 verschlossen wird, wird über das Kapillarrohr 50 unter Hochdruck Kraftstoff in den Brennraum 84 eingespritzt.

Die Abgasöffnung 92 im Brennraum 84 ist so angeordnet, dass sie durch den Kolben 80 verschlossen bleibt, solange Frischgas durch die überströmöffnung 88 in den Brennraum 84 einströmt. Aufgrund des im Kurbelraum 82 mittels des Vor-

verdichters 24 erzeugten überdrucks ist die Befüllung des Brennraums 84 in sehr kurzer Zeit erreicht. Bei kleiner Auslegung des überströmkanals 90 wird durch die hohe resultierende Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Einspritzdüse 86 über der Abrisskante eine sehr feine Kraftstoffverteilung erzielt, so dass sich ein mageres, leicht entzündliches Luft-Kraftstoff-Gemisch bildet.

Die Staudruckspitzen lösen bei der erfindungsgemäßen Konstruktion der

Motorvorrichtung 10 die Füllung des Kurbelraums 82 und den Kraftstoff einspritz- zeitpunkt aus. Durch den mithilfe des Vorverdichters 24 erhöhten Innendruck im

Kurbelraum 82 erhöht sich proportional die Verdichtung im Brennraum 84, so dass es bei geeigneten Kraftstoffen (z. B. Diesel) zur Selbstzündung kommt.

Der durch die Rotoren 52, 54 in die Ansaugluft eingespritzte Kraftstoff dient zur Anreicherung des Luft-Kraftstoff-Gemisches beim Kaltstart des Motors sowie zur Erzielung einer höheren Motorleistung.

Durch Veränderung des übersetzungsverhältnisses zwischen dem antreiben- den und angetriebenen Zahnriemenzahnrad kann die Ansaugluft an die benötigte Motorleistung angepasst und die Kraftstoffmenge einer optimalen Verbrennung zugeordnet werden.