DE10045725A1 - Verbrennungsmotor mit Minimalschmierung - Google Patents

Abstract

Ein Verbrennungsmotor (1) weist ein Magerschmierungssystem auf, bei dem Schmieröl lediglich in den Bereich einer Berührungsfläche zwischen einem Kolben (3) und einem Zylinder (2) ausgebracht wird. Dazu ist ein Ölauslass (12) in oder unterhalb einer Lauffläche (11) des Zylinders (2) vorgesehen, durch den in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens (3) wechselweise Öl auf die Lauffläche eines Kolbenschafts (9) des Kolbens (3) und auf die Lauffläche (11) des Zylinders (2) ausbringbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff von Pa­ tentanspruch 1 sowie ein den Verbrennungsmotor nutzendes Arbeitsgerät.

Derartige Verbrennungsmotoren sind allgemein als Viertakt- oder Zweitaktmoto­ ren bekannt. Vor allem Zweitaktmotoren werden aufgrund ihrer hohen spezifi­ schen Leistung, lageunabhängigen Einsetzbarkeit und ihres niedrigen Gewichts bevorzugt bei Arbeitsgeräten, insbesondere handgeführten Arbeitsgeräten einge­ setzt.

Zur Schmierung von Zweitaktmotoren sind grundsätzlich zwei Prinzipien be­ kannt, nämlich eine Gemischschmierung, bei der Öl bereits vorab dem Kraftstoff in einem Mischungsverhältnis von 1 : 25 bis 1 : 100 beigemischt wird, sowie eine Getrenntschmierung, bei der Öl aus einem separaten Öltank durch eine Ölpum­ pe in das Kurbelgehäuse oder den Vergaserstutzen gepumpt wird. Beide Schmie­ rungsmethoden unterstützen die lageunabhängige Einsetzbarkeit und das nied­ rige Gewicht der Zweitaktmotoren.

Während bei der Gemischschmierung Öl bei jedem Tankvorgang dem Kraftstoff beigemengt werden muß, ist es bei der Getrenntschmierung erforderlich, den se­ paraten Öltankt regelmäßig nachzufüllen, da es sich bei Zweitaktmotoren grund­ sätzlich um eine Verlustschmierung, also ohne Ölkreislauf, handelt. Ein gewis­ ser Anteil des Öls trägt daher nicht zur Schmierung bei, sondern wird ungenutzt verbrannt. Dadurch muß dem Motor übermäßig viel Öl zugeführt werden, was nicht zuletzt das Gesamtgewicht des Verbrennungsmotors aufgrund des Ölvor­ rats erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit redu­ ziertem Schmierölbedarf anzugeben.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist in Patentanspruch 1 angegeben. Danach ist der Verbrenungsmotor dadurch gekennzeichnet, dass das dem Ver­ brennungsmotor zum Schmieren zugeführte Öl im Bereich einer Berührungsflä­ che zwischen dem Kolben und dem Zylinder ausbringbar ist.

Es wurde festgestellt, daß die tribologische Belastung des Verbrennungsmotors im Bereich der Berührungsfläche zwischen Kolben und Zylinder, also der Reib­ fläche zwischen dem Kolben bzw. eventuell vorhandenen Kolbenringen und dem Zylinder am größten ist. Daher ist es von enormem Vorteil, wenn nur dieser Be­ reich mit Öl benetzt wird, um ein Eindringen von Öl in den Verbrennungsraum und nachfolgend ein Verbrennen des Öls einerseits und einen im Kurbelraum unter dem Kolben vorhandenen Ölsumpf andererseits zu vermeiden. Durch das gezielte Ausbringen von Öl in die Berührungsfläche zwischen Kolben und Zylin­ der genügen bereits geringste Ölmengen, um eine ausreichende Schmierung zu erzielen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Öl auf eine Lauffläche, das heißt eine Außenfläche eines Kolbenschafts des Kolbens und/oder auf eine Lauffläche des Zylinders ausbringbar, wobei dazu geeigneter­ weise ein entsprechender Ölauslass in oder unterhalb der Lauffläche des Zylin­ ders vorgesehen sein sollte. Das Ausbringen des Öls kann dann im Takt des Mo­ tors derart erfolgen, daß zunächst Öl auf die Lauffläche des Kolbenschafts aus­ gebracht wird, wenn sich der Kolben im Bereich seines unteren Totpunkts befin­ det, und später, wenn der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, ein Benetzen der Lauffläche des Zylinders erfolgt.

Um das Öl wirtschaftlich zu nutzen, ist es von besonderem Vorteil, wenn das von dem Ölauslass ausgebrachte Öl ein Ölaerosol ist. Dieses Ölaerosol kann ent­ weder vom Ölauslass selbst erzeugt werden oder dem Ölauslaß bereits als Ölae­ rosol zugeführt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ölauslass in Form einer in den Zylinder gerichteten, schrägstehenden Düse ausgebildet ist. Die Düsenwirkung reicht dann in den Zylinder hinein, obwohl die Düse unterhalb der Lauffläche des Zy­ linders angeordnet sein kann. Dadurch ist die Düse in der Lage, die Innenfläche (Lauffläche) des Zylinders mit Öl zu benetzen.

Eine Verbesserung des wirtschaftlichen Umgangs mit dem Schmieröl ist nach der Erfindung möglich, wenn das Ausbringen von Öl aus dem Ölauslass in Ab­ hängigkeit von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors ansteuerbar ist. So kann zum Beispiel ein Leerlaufbetrieb ohne jegliche Schmierölzufuhr erfol­ gen, während im Volllastbetrieb eine erhöhte Ölzufuhr erforderlich sein kann, um die hochbeanspruchten Bauteile zu schützen.

Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor findet besonders vorteilhafte Verwen­ dung in einem Arbeitsgerät, insbesondere einem handgeführten Arbeitsgerät, bei dem der Verbrennungsmotor mit einer in einem Gehäuse angeordneten Bewe­ gungswandeleinrichtung gekoppelt ist und der Verbrennungsmotor durch Öl aus dem Gehäuse der Bewegungswandeleinrichtung schmierbar ist. Bei entsprechen­ der Auslegung der Bauteile und des Schmierungssystems kann der Verbren­ nungsmotor sogar ausschließlich durch das Öl aus dem Gehäuse schmierbar sein, ohne daß zusätzliches Schmieröl, zum Beispiel in einem separaten Öltank oder durch Beimischung in den Kraftstoff erforderlich ist.

Durch das Mager- bzw. Minimalschmierungssystem läßt sich das Gewicht des Verbrennungsmotors und damit des Arbeitsgeräts deutlich vermindern. Weiter­ hin sind bisher übliche Maßnahmen, wie eben das Zubereiten des Öl-Kraftstoff- Gemisches, das Bereitstellen, Reinigen und Warten eines separaten Öltanks oder das Überwachen des Ölvorrats durch entsprechende Einrichtungen nicht mehr erforderlich. Der Aufbau des Verbrennungsmotors kann dadurch deutlich ver­ einfacht werden, was auch seine Zuverlässigkeit erhöht.

Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend an­ hand eines Beispiels unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor, wobei ein Kolben im unteren Totpunkt steht;

Fig. 2 einen Schnitt gemäß Fig. 1, wobei der Kolben kurz vor dem oberen Totpunkt steht; und

Fig. 3 schematisch den Aufbau eines den erfindungsgemäßen Verbren­ nungsmotor verwendenden Arbeitsgeräts.

Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmo­ tor 1, mit einem Zylinder 2 und einem in dem Zylinder 2 beweglichen Kolben 3, der in bekannter Weise über ein Pleuel 4 eine Kurbel- bzw. Antriebswelle 5 in Drehung versetzt.

Ein in soweit bekannter Verbrennungsmotor 1 wird häufig als Zweitaktmotor bei handgeführten Arbeitsgeräten, wie zum Beispiel Stampfern zur Bodenverdich­ tung eingesetzt.

Im oberen Teil eines den Zylinder 2 umfassenden Zylindergehäuses 6 ist eine Zündkerze 7 eingesetzt, die in einem Verbrennungsraum 8 zur gegebenen Zeit einen Zündfunken erzeugt, wodurch das durch die Aufwärtsbewegung des Kol­ bens 3 komprimierte Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennt und den Kolben 3 nach unten, in Richtung seines in Fig. 1 gezeigten unteren Totpunkts treibt und da­ durch die Antriebswelle 5 drehend antreibt.

Die Arbeitsweise eines Zweitaktmotors ist allgemein bekannt und soll daher nicht weiter vertieft werden.

Der Kolben 3 besteht im wesentlichen aus einem unteren Teil, der auch als Kol­ benhemd oder Kolbenschaft 9 bezeichnet wird, sowie einem oberen Teil, der als Kolbenkopf bezeichnet wird und in dessen Umfang Kolbenringe 10 eingesetzt sind.

Die gesamte zylindrische Außenfläche des Kolbens 3 wird als Lauffläche bezeich­ net. Umgekehrt wird der Teil der zylindrischen Innenfläche des Zylinders 2 als Lauffläche 11 des Zylinders 2 bezeichnet, auf dem der Kolben 3 sowie die Kol­ benringe 10 gleiten.

Unterhalb, also außerhalb der Lauffläche 11 des Zylinders 2 ist eine als Ölaus­ lass dienende Düse 12 derart schräg eingesetzt, daß ihre Spritzrichtung in den Zylinder 2 hinein reicht. Über die Düse 12 kann somit Öl in den Zylinder 2 und vor allem auf seine Lauffläche 11 gebracht werden, wie zum Beispiel aus Fig. 2 erkennbar. Alternativ kann die Düse 12 auch in der Lauffläche 11 des Zylinders 2 ausgebildet sein.

Die Benetzung der Lauffläche 11 des Zylinders 2 setzt voraus, daß sich der Kol­ ben 3 in der Nähe seiner in Fig. 2 gezeigten oberen Totpunktstellung befindet. Wenn der Kolben 3 seine in Fig. 1 gezeigte untere Totpunktstellung erreicht, deckt er die Lauffläche 11 des Zylinders 2 derart ab, daß sie nicht mehr durch die Düse 12 mit Öl benetzt werden kann. Stattdessen aber wird ein Teil des Kol­ benschafts 9 freigelegt, so daß nun Öl aus der Düse 12 den Kolbenschaft 9 be­ netzen kann.

Durch dieses Wechselspiel ist eine gleichmäßige Schmierung der zylindrischen Flächen 9, 11 von Zylinder 2 und Kolben 3 über den gesamten Umfang möglich.

Es wird somit - entsprechend den Fig. 1 und 2 - entweder der rechte Teil des Kolbenschafts 9 und damit indirekt der rechte Teil der Lauffläche 11 des Zylin­ ders 2 oder - bei Stellung des Kolbens 3 im oberen Totpunkt - der linke Teil der Lauffläche 11 des Zylinders 2 und somit indirekt auch der linke Teil des Kolben­ schafts 9 geschmiert. Da auch die Kolbenringe 10 die geschmierten Bereiche der Lauffläche 11 des Zylinders 2 erreichen, werden sie ebenfalls mit Öl versorgt.

Die Ölzuführung mittels der Düse 12 kann kontinuierlich oder impulsweise er­ folgen, wobei eine Ansteuerung entsprechend der Stellung des Kolbens 3 oder auch unter Berücksichtigung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors 1 besonders vorteilhaft ist.

Eine besonders effektive Schmierung ist dann möglich, wenn das Öl nicht in flüssiger Form, sondern als Ölaerosol bzw. -nebel zugeführt wird. Die feinsten Tröpfchen lassen eine breite Verteilung des Öls zu, ohne daß die Schmierwir­ kung beeinträchtigt wäre.

Somit ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß das Öl in flüssiger Form zu der Düse 12 zugeführt und dort unter Druck vernebelt wird. Alternativ ist es möglich, daß das Öl der Düse 12 bzw. einem entsprechend ge­ stalteten Auslass bereits als Ölaerosol zugeführt wird und dann nur noch auf die Lauffläche 11 des Zylinders 2 bzw. den Kolbenschaft 9 gerichtet werden muß.

Alternativ zu der Düse 12 bzw. einem entsprechenden, nicht druckbeaufschlag­ ten Auslass ist es auch möglich, mehrere Auslässe bzw. Düsen, zum Beispiel in Form eines Düsenrings vorzusehen, um ein Eindringen von Öl von unten in die Lauffläche 11 des Zylinders 2 zu ermöglichen.

Die Menge des zugeführten Öls sollte derart bemessen sein, daß eine Schmie­ rung des Kolbens 3 im Zylinder 2 zuverlässig möglich ist. Ein Austreten des Öls in den Verbrennungsraum 8 oder in einen unter dem Kolben 3 liegenden Kurbel­ raum 13 sollte jedoch zur Minimierung des Ölverbrauchs vermieden werden. Dementsprechend kann es erforderlich sein, daß weitere bewegliche Teile des Verbrennungsmotors 1, insbesondere Pleuellager, eine separate Schmierung, zum Beispiel eine Lebensdauerschmierung, die unabhängig von der Ölschmie­ rung des Kolbens 3 ist, erhalten müssen oder aus geeigneten Materialien anzu­ fertigen sind.

Die Ölzuführung ist derart einzustellen, daß die Kolbenringe 10 beweglich blei­ ben und sich nicht durch Mangelschmierung in den sie aufnehmenden Ringnu­ ten festsetzen können. Um den Ölverbrauch noch weiter zu reduzieren, kann es notwendig sein, die Kolbenringe 10 als sogenannte einseitige Trapezringe auszu­ legen und den Kolbenschaft 9 mit einer Notlaufbeschichtung, zum Beispiel mit Graphal®, zu versehen.

Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor kann besonders vorteilhaft bei einem Arbeitsgerät, insbesondere einem von Hand führbaren Arbeitsgerät eingesetzt werden, wie es in Fig. 3 schematisch dargestellt ist.

Der Verbrennungsmotor 1 ist im linken Teil von Fig. 3 skizziert. Seine An­ triebswelle 5 erstreckt sich aus dem Gehäuse des Verbrennungsmotors 1 in ein Gehäuse 14, das eine Bewegungswandeleinrichtung 15 umgibt. Die Bewegungs­ wandeleinrichtung 15 kann verschiedene Arten von Zahnradgetrieben, Kurbelge­ trieben usw. aufweisen und dient im wesentlichen zum Wandeln von Bewe­ gungsrichtungen, Bewegungsarten (translatorisch, rotatorisch; kontinuierlich, intermittierend, oszillierend, stoßartig, etc.) und Bewegungsgeschwindigkeiten. Die Bewegungswandeleinrichtung 15 ist in Fig. 3 lediglich schematisch in Form eines Zahnrads und eines dieses umgebenden, gestrichelten Rahmens skizziert.

Die sich bewegenden Bauteile der Bewegungswandeleinrichtung 15 werden durch in das Gehäuse 14 eingefülltes Öl geschmiert, das in Fig. 3 durch einen Ölsumpf 16 symbolisiert wird.

Aufgrund der hohen Geschwindigkeiten der sich bewegenden Bauteile der Bewe­ gungswandeleinrichtung 15 wird ständig Öl aus dem Ölsumpf 16 hochgeschleu­ dert und in Form von großen und kleinen Tröpfchen verwirbelt. Nach kurzer Zeit bereits bildet sich in dem Gehäuse 14 ein aus Ölaerosol bestehender Ölnebel aus feinsten Öltröpfchen aus, der alle zu schmierenden Teile benetzt.

Ein Teil des Ölaerosols wird durch eine Sammeleinrichtung 17 gesammelt, die im wesentlichen eine Öffnung im Gehäuse 14 darstellt, in die das Ölaerosol eintreten kann. Gegebenenfalls können an dieser Stelle Filter oder poröse schwammähnliche Materialien vorgesehen werden, um das Ölaerosol zu filtern.

Über eine Fördereinrichtung 18 wird das Ölaerosol von der Sammeleinrichtung 17 zu der als Ölauslass dienenden Düse 12 geführt. Die Fördereinrichtung 18 kann in vielfältiger Weise ausgebildet sein und je nach Auslegung des Schmier­ systems das Öl in flüssiger Form oder als Ölaerosol drucklos oder unter Druck stehend transportieren.

Bei entsprechender Auslegung ist es bei dem Arbeitsgerät möglich, daß der Ver­ brennungsmotor 1 ausschließlich durch das Öl aus dem Gehäuse 14 geschmiert wird. Eine zusätzliche Ölzuführung wie beim Stand der Technik ist damit nicht mehr erforderlich. Weder muß ein Öl-Kraftstoff-Gemisch getankt noch ein sepa­ rater Ölbehälter vorgesehen werden.

Claims (13)

1. Verbrennungsmotor (1), mit einer Ölschmierung für wenigstens einen Zy­ linder (2) und einen in dem Zylinder (2) beweglichen Kolben (3), dadurch ge­ kennzeichnet, dass das dem Verbrennungsmotor (1) zum Schmieren zugeführte Öl im Bereich einer Berührungsfläche zwischen dem Kolben (3) und dem Zylin­ der (2) ausbringbar ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Öl auf eine Lauffläche eines Kolbenschafts (9) des Kolbens (3) und/oder auf eine Lauffläche (11) des Zylinders (2) ausbringbar ist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in oder unterhalb der Lauffläche (11) des Zylinders (2) ein mit einer För­ dereinrichtung (18) gekoppelter Ölauslass (12) vorgesehen ist, durch den das Öl auf die Lauffläche des Kolbenschafts sowie auf die Lauffläche (11) des Zylinders (2) ausbringbar ist.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Öl aus dem Ölauslass (12) wechselweise auf die Lauffläche des Kolben­ schafts (9) ausbringbar ist, wenn sich der Kolben (3) in der Nähe seines unteren Totpunkts befindet, oder auf die Lauffläche (11) des Zylinders (2) ausbringbar ist, wenn sich der Kolben (3) in der Nähe seines oberen Totpunkts befindet.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das von dem Ölauslass (12) ausgebrachte Öl ein Ölaerosol ist.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das dem Ölauslass (12) zugeführte Öl ein Ölaerosol ist.

7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Ölauslass in Form einer in den Zylinder (2) gerichteten Düse (12) oder eines Düsenrings ausgebildet ist.

8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Ausbringen von Öl aus dem Ölauslass (12) in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors (1) ansteuerbar ist.

9. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Kolben (3) über ein Pleuel (4) und ein Pleuellager mit einer Kurbelwelle (5) gekoppelt ist; und dass das Pleuellager lebensdauergeschmiert ist.

10. Arbeitsgerät, mit
einem Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9; und
einer in einem Gehäuse (14) angeordneten Bewegungswandeleinrichtung (15) zum Wandeln einer von dem Verbrennungsmotor (1) erzeugten Bewegung in eine Arbeitsbewegung;
wobei
der Verbrennungsmotor (1) an oder in dem Gehäuse (14) angeordnet ist;
das Gehäuse (14) mit Öl zur Schmierung der Bewegungswandeleinrich­ tung (15) befüllt ist; und
der Verbrennungsmotor (1) durch Zuführen des Öls aus dem Gehäuse (14) zu dem Ölauslass (12) schmierbar ist.

11. Arbeitsgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ver­ brennungsmotor (1) ausschließlich durch das Öl aus dem Gehäuse (14) schmier­ bar ist.

12. Arbeitsgerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (18) zum Fördern von Öl aus dem Gehäuse (14) zu dem Verbrennungsmotor (1) dient.

13. Arbeitsgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, dass das Öl ein Ölaerosol ist, welches in dem Gehäuse (14) durch die Bewe­ gungswandeleinrichtung (15) erzeugbar ist.