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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einspritzung eines Kraftstoff/Schmieröl-Gemischvolumens mittels eines gemeinsamen Einspritzelementes in den Ansaugbereich eines Zweitaktmotors mit mindestens einem Zylinder und einem im Zylinder bewegbaren Kolben, der mit einer in einer Kurbelkammer drehbar gelagerten Kurbelwelle verbunden ist und mit mindestens einem Überströmkanal, der zwischen der Kurbelkammer und einem Verbrennungsraum ausgebildet ist, und einen Zweitaktmotor, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.
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Zweitakt-Motoren sind dem Fachmann seit langem bekannt und allgemein gebräuchlich. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Zylinder, in dem ein Verbrennungsraum für die Verbrennung eines Kraftstoff/Luftgemisches ausgebildet ist. Mit dieser Verbrennung wird ein im Zylinder auf und ab bewegbarer Kolben angetrieben, der seinerseits über eine Pleuelstange auf eine Kurbelwelle einwirkt, die in einer Kurbelkammer des Zweitakt-Motors drehbar gelagert ist. Ein aus den Vorgängen Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen bestehendes Arbeitsspiel des Zweitakt-Motors wird während eines vollständigen Auf- und Ab-Hubs des Kolbens bzw. einer vollen Umdrehung der Kurbelwelle ausgeführt, im Gegensatz zum Viertakt-Motor, bei dem der Zylinder hierfür zwei vollständige Hübe ausführt.
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Es sind Zweitakt-Motoren bekannt, bei denen durch einen Ansaugkanal in den Verbrennungsraum ein Kraftstoff/Luftgemisch angesaugt wird, wobei der Kraftstoff der Luft in einem Vergaser in einem gewünschten Mengenverhältnis zugegeben wird. Dabei ist hier unter dem Begriff Kraftstoff sowohl der reine Kraftstoff zu verstehen, der zum Betrieb des Zweitakt-Motors benötigt wird, als auch ein Kraftstoff/Schmieröl-Gemisch, das in bekannter Weise sowohl für die Verbrennung der im Verbrennungsraum angesaugten und durch den Zylinderhub verdichteten Luft dient als auch zur Schmierung aller beweglichen Teile im Zweitakt-Motor. Wird reiner Kraftstoff im Vergaser der angesaugten Luft zugegeben, so erfolgt die Schmierung der Kurbelwelle und des Zylinders über eine zusätzliche Schmierung. Diese verlangt aber einen hohen konstruktiven Aufwand sowie weitere Baugruppen wie z. B. eine Schmierölpumpe, was besonders bei kleinen Zweitakt-Motoren für u. a. Motorsägen nicht gewünscht ist.
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Zum Vorverdichten der angesaugten Luft bzw. des Kraftstoff/Luft-Gemischs wird die Luft zumindest teilweise in die Kurbelkammer eingeleitet und strömt von dort angetrieben durch die Abwärtsbewegung des Kolbens durch einen oder mehrere Überströmkanäle in den eigentlichen Verbrennungsraum. Dabei sind die Überströmkanäle derart im Zylinder angeordnet, dass durch die aus ihnen aus- und in den Verbrennungsraum eintretende Luft oder das Kraftstoff/Luft-Gemisch der Verbrennungsraum gespült wird, um den Wirkungsgrad des Zweitakt-Motors zu erhöhen.
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Die
DE 195 12 566 C2 offenbart einen Zweitakt-Motor mit mehreren Überströmkanälen, die zwischen der Kurbelkammer, in der sich die Kurbelwelle dreht, und dem Verbrennungsraum, in dem die eigentliche Verbrennung stattfindet, ausgebildet sind. Durch die Überströmkanäle strömt ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, das durch die Bewegung des Kolbens im Zylinder angetrieben ist, um den Verbrennungsraum zu spülen. Z. B. entsteht durch eine Aufwärtsbewegung des Kolbens in der Kurbelkammer ein Unterdruck, so dass bei dieser Aufwärtsbewegung ein Kraftstoff/Luft-Gemisch bzw. bloße Luft in die Kurbelkammer eingesaugt wird, während gleichzeitig im Verbrennungsraum ein Kraftstoff/Luft-Gemisch verdichtet und mit einer Zündkerze gezündet wird.
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Konventionelle 2-Takt-Motoren weisen prinzipbedingt hohe HC-Emissionen auf. Diese werden hauptsächlich durch Kurzschlussströmungen zwischen den beim Spülvorgang gleichzeitig offenen (Überström-)Einlass- und Auslassquerschnitten verursacht. Durch eine geschickte Ladungsschichtung ist es jedoch möglich, diese Spülverluste zu minimieren. Dabei wird die Kurzschlussströmung als unvermeidbar angesehen und daher versucht, diesen Volumenanteil an der Ladung durch reine Luft oder durch ein sehr mageres Gemisch mit geringen HC-Anteilen zu ersetzen.
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Wird als Gemischbilder eine Einspritzdüse verwendet, so kann gezielt der Kraftstoff direkt in den Brennraum oder in die Überströmkanäle eingespritzt werden. Bei richtiger zeitlicher Abstimmung des Einspritzvorgangs wird dadurch erreicht, dass der Volumenanteil der Frischladung, welcher aus dem Brennraum beim Spülvorgang unverbrannt entweicht, nur aus reiner Luft oder sehr magerem Gemisch besteht.
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Nachteilig ist bei der obengenannten Anordnung, dass die in der Kurbelkammer angeordnete Kurbelwelle und die Lager häufig nicht ausreichend geschmiert werden.
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Die
AT 006425 U1 offenbart ein Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff bei einer Zweitakt-Brennkraftmaschine mittels einer Einspritzdüse in den Anlaufbereich der Zweitakt-Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und einem im Zylinder bewegbaren Kolben, der mit einer in einem Brennraum drehbar gelagerten Kurbelwelle verbunden ist und mit mindestens einem Überströmkanal, der zwischen dem Kurbelraum und einem Brennraum ausgebildet ist und wobei das pro Arbeitsspiel einspritzende Kraftstoffvolumen über mindestens zwei Einspritzstrahlen eingespritzt wird, von denen ein erster Einspritzstrahl in den Überströmkanal oder in den Brennraum gerichtet wird und ein zweiter Einspritzstrahl in den Kurbelraum oder Einlasskanal gerichtet wird.
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Aus der
DE 670 544 A ist eine Schmierung für schlitzgesteuerte Zweitakt-Brennkraftmaschinen mit Kurbelkastenpumpe bekannt, bei welchen der Brennstoff in den Zylinder eingespritzt und das Schmieröl in den Kurbelkasten eingeführt wird, wobei das Schmieröl mittels einer an sich bekannten, von der Förderpumpe gesteuerten Düse durch die Ansaugschlitze in den Kurbelkasten eingespritzt wird, wobei die Einspritzung des Schmieröls mit der Öffnung der Ansaugschlitze beginnt.
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Die
DE 69 711 258 T2 schlägt zwar bereits ein Verfahren zur Steuerung des Betriebes einer Brennkraftmaschine des Zweitakttyps vor, bei dem zur Einspritzung des Kraftstoffs mittels eines gemeinsamen Einspritzers in den Ansaugbereich des Zweitaktmotors vorgesehen ist, wobei das pro Arbeitsspiel einzuspritzende Volumen über mindestens zwei Einspritzstrahlen eingespritzt wird, jedoch sind beide Einspritzstrahlen direkt in den Brennraum auf die Zündkerze bzw. die Kolbenoberseite gerichtet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweitakt-Motor zu schaffen, der weniger unerwünschte Abgase ausstößt und gleichzeitig eine ausreichende Schmierung der relevanten Bauteile gewährleistet
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch einen Zweitaktmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Der Kerngedanke ist dabei, die einzuspritzende Kraftstoff/Schmierölmenge (Kraftstoff/Schmierölgemischvolumen) in verschiedene Einspritzstrahlen (Einzelvolumina) aufzuteilen, von denen mindestens einer der Schmierung entsprechender Schmierstellen im Kurbelkammerbereich und mindestens ein weiterer der Ladungsschichtung im Brennraum dient. In der Kurbelkammer ist ein ausreichend schmierfähiges Kraftstoff/Schmieröl-Gemisch als mageres Gemisch ausreichend, während im Brennraum im Bereich der Zündkerze ein gut entflammbares und brennbares Gemisch zur Erzielung einer guten Verbrennung sichergestellt werden muss. Es ist zur Realisierung dieses Gedankens vorgesehen, dass das pro Arbeitsspiel einzuspritzende Kraftstoff/Schmieröl-Gemischvolumen über mindestens zwei Einspritzstrahlen eingespritzt wird, von denen mindestens ein erster Einspritzstrahl in mindestens einen Überströmkanal oder in den Verbrennungsraum gerichtet ist und mindestens ein zweiter Einspritzstrahl in die Kurbelkammer, insbesondere auf die zu schmierenden Teile (z. B. Kolbenbolzen Pleuellager, Kolben, Kurbelwellenlager, etc.), gerichtet ist. Dies kann erreicht werden, indem entweder der erste Einspritzstrahl über ein erstes Einspritzelement und der zweite Einspritzstrahl über ein zweites Einspritzelement eingespritzt werden oder der erste Einspritzstrahl und der zweite Einspritzstrahl über ein gemeinsames Einspritzelement eingespritzt werden.
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Die Einspritzung in verschiedene Kanäle kann durch die Verwendung mehrerer Einspritzventile erfolgen. Durch geschickte Wahl des Einspritzortes ist aber auch die Verwendung einer Mehrstrahldüse denkbar, welche gleichzeitig mehrere Kanäle mit Kraftstoff/Schmieröl-Gemisch versorgt.
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Im Idealfall lässt sich bei entsprechender Anordnung auch auf eine separate Einspritzdüse zur Schmierölversorgung der Kurbelkammer verzichten. Dies kann zum Beispiel durch die gezielte Ausrichtung eines Strahls in Richtung Kurbelkammer oder durch Fensteröffnungen im Kolben bzw. Zylinder realisiert werden.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen werden, eine Mehrstrahldüse zu verwenden, deren mindestens einer Strahl zur Schmierölversorgung der in der Kurbelkammer befindlichen und zu schmierenden Teile verwendet wird, entweder direkt in die Kurbelkammer oder durch Fensteröffnungen in Kolben und/oder Zylinder spritzend, und wobei mindestens ein Strahl oder andere Strahlen in den oder die Überströmkanäle spritzen. Hier ist auch denkbar, einen Strahl in einen Kanal spritzen zu lassen, der sich verzweigend dann zwei oder mehrere Überströmkanäle mit Kraftstoff-Luft-Gemisch bedient.
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Eine Lösung besteht also in der Verwendung einer zweiten Einspritzdüse, welche eine kleine Teilmenge des Kraftstoff/Schmieröl-Gemischs direkt in die Kurbelkammer oder in den Ansaugbereich/Einlaßkanal spritzt. Der Hauptanteil des Kraftstoff/Schmieröl-Gemischs wird dann direkt in den oder die Überströmkanäle oder direkt in den Brennraum gespritzt. Dabei ist denkbar, dass je nach Anzahl der Überströmkanäle nur in einen Kanal (z. B. mittig angeordneter Aufrichterkanal oder nur ein Überströmer asymmetrisch auf einer Seite) oder in mehrere Kanäle eingespritzt wird. Der Beginn der Einspritzung kann dabei für alle Düsen zu unterschiedlichen Zeiten während eines Arbeitsspiels erfolgen. Die genauen Zeitpunkte können motorspezifisch unterschiedlich sein und werden in der Applikation jeweils optimal gewählt. Ebenso lassen sich optimiert unterschiedliche Einspritzvolumina wählen. Mit dieser Maßnahme wird ein geringerer Kraftstoffverbrauch erreicht. In die Kurbelkammer wird von dem zusätzlichen Einspritzelement nur so viel Kraftstoff eingespritzt, dass eine ausreichende Schmierung erzielt wird. Die Hauptmenge des zur Verbrennung notwendigen Kraftstoffs wird weiterhin in bekannter Weise von dem im Verbrennungsraum oder im Überströmbereich angeordneten Einspritzelement eingespritzt.
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Mit einer Ladungsschichtung mit unterschiedlichen Mengenverhältnissen Luft/Kraftstoff, wie in Anspruch 5 angegeben, kann in dem Verbrennungsraum des Zweitakt-Motors in unterschiedlichen Bereichen des Verbrennungsraums eine unterschiedliche Kraftstoffkonzentration erreicht werden. Dadurch können die Spülverluste beim Ladungswechselvorgang minimiert werden. Des Weiteren ist bei geeigneter Wahl der Anordnung einer Zündkerze im Verbrennungsraum eine verbesserte Verbrennung bzw. ein erhöhter Wirkungsgrad bezüglich der Ausnutzung des Kraftstoffes erzielbar. Hierzu werden vom Einspritzelement im Bereich des Verbrennungsraums sowie von dem weiteren Einspritzelement im Bereich der Kurbelkammer jeweils in Abhängigkeit der Strömungsrichtungen der angesaugten und/oder ausgestoßenen Luft in der Kurbelkammer bzw. in den Überströmkanälen und im Verbrennungsraum die gewünschten Kraftstoffmengen eingespritzt, um die jeweils optimale Ladungsschichtung im Verbrennungsraum zu erhalten.
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Ein Zweitaktmotor, der das erfindungsgemäße Verfahren verwirklicht und die dargestellten Vorteile erreicht, ist in Anspruch 6 angegeben. Gemäß Anspruch 6 ist dabei vorgesehen, dass das Einspritzelement im Überströmkanal oder in einem dem Überströmkanal nahen Bereich in der Kurbelkammer angeordnet ist und zur Einspritzung des pro Arbeitsspiel einspritzenden Kraftstoff/Schmieröl-Gemischvolumens über mindestens zwei Einspritzstrahlen ausgebildet ist, von denen mindestens ein erster Einspritzstrahl in den Überströmkanal oder in den Verbrennungsraum gerichtet ist und mindestens ein zweiter Einspritzstrahl in die Kurbelkammer gerichtet ist. Dies kann durch mehrere Einspritzventile oder durch eine Mehrloch- oder Mehrstrahldüse erfolgen, wobei mindestens ein Strahl zur Schmierölversorgung der in der Kurbelkammer befindlichen und zu schmierenden Teile verwendet wird und mindestens ein anderer Strahl zum Gemischaufbau im Brennraum durch Einspritzung in den oder die Überströmkanäle verwendet wird. Bei dieser Ausgestaltung weist der Zweitakt-Motor ein Einspritzelement in Form einer Mehrlochdüse auf. Mit diesen Mehrlochdüsen ist es möglich, mit einem einzigen Einspritzelement den Kraftstoff bzw. das Kraftstoff/Schmieröl-Gemisch in mehreren Richtungen im Zylinder an gewünschter Stelle einzuspritzen, so dass eine bessere Verteilung des Kraftstoffs in der angesaugten Luft erreicht wird. Mit einer Mehrlochdüse können die Vorteile von zwei oder mehr Düsen, die an unterschiedlichen Orten im Zweitakt-Motor angeordnet sind, mit nur einem Einspritzelement erreicht werden, wobei der konstruktive und der steuerungstechnische Aufwand gegenüber mehreren Einspritzelementen deutlich verringert ist.
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Mit der im Anspruch 7 angegebenen Maßnahme ist erreicht, dass bei einem Zweitakt-Motor mit vier Überströmkanälen eine bestmögliche Spülung des Verbrennungsraums mit frischem Kraftstoff/Luft-Gemisch erreichbar ist, da in den beiden Überströmkanälen, die dem Ansaugrohr des Zweitakt-Motors benachbart sind, stets ein höherer Luftdurchfluss herrscht, als in den beiden weiter entfernt liegenden Überströmkanälen. Hierbei ist es auch möglich, dass lediglich ein Einspritzelement vorgesehen ist, das über eine Verteilungsleitung mit zwei Ausgängen den Kraftstoff in beide Überströmkanäle gleichzeitig einspritzt.
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Mit einer Ausgestaltung des Zweitakt-Motors, die in Anspruch 8 angegeben ist, kann das Einspritzelement bzw. die Mehrlochdüse den Kraftstoff an beliebigen Stellen im Zweitakt-Motor einspritzen, um jeweils die gewünschte Konzentration des Kraftstoffs in der angesaugten Luft zu erhalten. Der Kraftstoff kann hierzu von der Mehrlochdüse direkt in den Verbrennungsraum, die Kurbelkammer, das Ansaugrohr oder in den Überströmkanal eingespritzt werden, wobei bevorzugt die Mehrlochdüse derart angeordnet ist, dass Kraftstoff sowohl in den Überströmkanal als auch in die Kurbelkammer eingespritzt wird. Bei der Verwendung von mehreren Einspritzventilen kann das Einspritzen in unterschiedliche Bereiche gleichzeitig oder zeitversetzt erfolgen, um den Kraftstoff in vorteilhafter Weise zu verteilen. Ebenso ist es möglich, dass in verschiedene Bereiche jeweils unterschiedliche Kraftstoffmengen eingespritzt werden.
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Prinzipiell ist es auch möglich, dass nur in einen der mehreren Überströmkanäle Kraftstoff eingespritzt wird, wenn eine entsprechend unsymmetrische Verteilung des Kraftstoffs bzw. des Kraftstoff/Luft-Gemischs gewünscht ist.
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Die Ausführungsform gemäß Anspruch 10 ist für beide Erfindungsgedanken realisierbar. Durch das Einspritzen in den Überströmkanal bzw. das Einspritzen mit einer Mehrlochdüse kann insbesondere im Verbrennungsraum eine Ladungsschichtung erzielt werden. Das bedeutet, dass aus den räumlich unterschiedlichen Einspritzpositionen jeweils unterschiedlicher Kraftstoffmengen den entsprechenden Luftvolumina zugeführt werden und daraus unterschiedliche Kraftstoffkonzentrationen resultieren, so dass im Verbrennungsraum vor dem Verdichten und Zünden Bereiche mit fetterem und magererem Gemisch vorliegen. Bei geeigneter Wahl der Einspritzzeitpunkte und der Einspritzmengen kann dadurch die Spülung des Verbrennungsraums und die Neubefüllung mit frischem Kraftstoff/Luft-Gemisch verbessert werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in rein schematischen Darstellungen:
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1: in einem senkrechten Schnitt einen Zweitakt-Motor mit einem Einspritzelement,
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2: in einem senkrechten Schnitt einen Zweitakt-Motor mit zwei Einspritzelementen, und
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3 in einem waagerechten Schnitt einen Zweitakt-Motor mit drei Einspritzelementen
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In den 1 und 2 ist anhand eines Zweitaktmotors 100 das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Der Zweitaktmotor 100 weist einen Kolben 11 auf der sich im Zylinder 10 des Zweitaktmotors 100 auf und ab bewegt. Dabei treibt der Kolben 11 eine Kurbelwelle 13 an, die drehbar in einer Kurbelkammer 12 des Zweitaktmotors 100 gelagert ist. Zwischen einem Verbrennungsraum 16, in dem die eigentliche Verbrennung des Kraftstoff/Schmierstoff/Luftgemisches stattfindet und der Kurbelkammer 12 sind in bekannter Weise ein oder mehrere Überströmkanäle 15 ausgebildet. Die Luft wird dem Zweitaktmotor 100 über ein hier nicht dargestelltes Ansaugrohr zugeführt. Mit dem Einspritzelement 14 wird das pro Arbeitsspiel einzuspritzende Kraftstoff/Schmieröl/Gemischvolumen V über die zwei Einspritzstrahlen S1, S2 eingespritzt, von denen der Einspritzstrahl S1 in den Überströmkanal 15 gerichtet ist. Der zweite Einspritzstrahl S2 ist in die Kurbelkammer 12, insbesondere auf das Kurbelwellenlager gerichtet. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Einspritzstrahlen S1, S2 zu unterschiedlichen Zeitpunkten gespritzt werden und unterschiedliche Einspritzvolumina einspritzen, um einerseits eine Schmierölversorgung bei möglichst geringer Abgasbelastung und andererseits eine optimale Verbrennung zu realisieren.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform des Zweitaktmotors 100 handelt es sich um eine zu 1 im Prinzip baugleiche Ausführungsform, jedoch wird hier ein zweites Einspritzelement 14b vorgesehen, wobei der erste Einspritzstrahl S1 des Einspritzelementes 14a in den Überströmkanal 15 oder direkt in den Brennraum und der zweite Einspritzstrahl S2 des Einspritzelementes 14b in die Kurbelkammer 12 gerichtet ist. Um eine zusätzliche Schmierung der Kolbenlagerung am Pleuel zu ermöglichen und/oder um eine zusätzliche Kolbenbodenkühlung zu bewirken, wird ein weiterer Einspritzstrahl S3 durch ein im Kolben 11 ausgebildetes Fenster 24 gespritzt, wodurch vorteilhafterweise eine Schmierung und Kühlung an ohne diesen zusätzlichen Einspritzstrahl nur schwer zu erreichende Stellen bewirkt.
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Wird nur ein Einspritzelement 14 verwendet, so wird das Einspritzelement 14 zum Einspritzen des Kraftstoffes in den Überströmkanal 15 im Zylinder 10 des Zweitaktmotors 100 oder in einen dem Überströmkanal nahen Bereich der Kurbelkammer angeordnet. Die entsprechende Ansteuerung des Einspritzelements 14 hinsichtlich der Einspritzzeitpunkte und der Einspritzmengen kann von einer Steuerelektronik für den Zweitakt-Motor 100 geleistet werden.
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Für die in 1 prinzipiell beschriebene Ausführungsform ist der Zweitakt-Motor 100 mit einem Einspritzelement 14 versehen, das ebenfalls im Überströmkanal 15 angeordnet ist. Das Einspritzelement 14 ist hier eine Mehrlochdüse, d. h., dass der Kraftstoff an mehreren, z. B. bis zu acht, Düsenöffnungen an dem Einspritzelement 14 in unterschiedlichen Richtungen austritt. Dabei ist die Mehrlochdüse derart ausgerichtet, dass ein Teil des Kraftstoffs bzw. Kraftstoff/Schmieröl-Gemischs in die Kurbelkammer 12 eingespritzt wird und ein vorzugsweise größerer Teil in den Überströmkanal 15. Somit ist die Verwendung eines weiteren Einspritzelements 14, das nur in die Kurbelkammer 12 einspritzt, vermieden und der bauliche und steuerungstechnische Aufwand verringert. Die in die Kurbelkammer 12 eingespritzte Menge ist ausreichend genug gewählt, um die Schmierung der Lagerstellen zu gewährleisten. Die Mehrlochdüse kann auch derart angesteuert sein, dass nur eine Düse oder ein Teil der mehreren Düsen in einem Einspritzvorgang Kraftstoff einspritzt und eine andere oder weitere Düsen den Kraftstoff in einem zweiten Einspritzvorgang. Auch mit der Mehrlochdüse ist eine Ladungsschichtung erreichbar.
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Bei der weiteren, in 3 dargestellten Ausführungsform sind bei dem Zweitakt-Motor 100 vier Überströmkanäle 20, 21, 22, 23 vorgesehen. Hierbei sind zwei Einspritzelemente 14 in den dem Einlasskanal 18 benachbarte Überströmkanäle 20, 21 angeordnet. Zusätzlich ist eine Mehrlochdüse 14 im Einlasskanal 18 (Ansaugrohr) angeordnet, die eine optimale Ladungsschichtung sichert.
