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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Betrieb eines Zweitaktmotors, insbesondere eines Zweitaktmotors
in einem handgeführten
Arbeitsgerät wie
einer Motorkettensäge,
einem Trennschleifer, einem Freischneidegerät, einem Blasgerät oder dgl. nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 199 00 445 A1 ist ein
membrangesteuerter Zweitaktmotor bekannt, der über einen Einlaß Kraftstoff/Luft-Gemisch
in das Kurbelgehäuse und über einen
membrangesteuerten Fluidkanal kraftstofffreies Fluid wie Reinluft
in den Überströmkanal ansaugt.
Dabei tritt am kurbelgehäuseseitigen Ende
des Überströmkanals
Fluid, nämlich
Reinluft aus dem Überströmfenster
in das Kurbelgehäuse über, wodurch
das im Kurbelgehäuse
gespeicherte Gemisch abmagert. Um eine ausreichende Schmierung der
bewegten Teile im Kurbelgehäuse
zu gewährleisten,
muß mit
dem Kraftstoff eine entsprechende Menge Öl dem Kurbelgehäuse zugeführt werden.
Dies führt
zur Verkokung im Schalldämpfer sowie
im Brennraum und bedingt schlechte Abgaswerte.
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Aus der
EP 0 302 045 B1 ist ein
Verbrennungsmotor mit Kurbelgehäusespülung bekannt,
bei dem die notwendige Verbrennungsluft über das Kurbelgehäuse angesaugt
und der zum Betrieb notwendige Kraftstoff über eine Einspritzdüse im Bereich des
Eintrittfensters in den Brennraum eingespritzt wird. Ein derartiger
Betrieb eines Zweitaktmotors bedingt aber ein getrenntes Schmiersystem
im Kurbelgehäuse,
was aufwendig ist und zu einem erhöhten Öleintrag in den Brennraum führen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zum Betrieb eines gattungsgemäßen Zweitaktmotors mit Spülvorlage
anzugeben, bei dem bei guter Schmierung aller bewegten Teile gute
Abgaswerte erzielt werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst.
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Im Teil- und Vollastbereich des Zweitaktmotors
ist das im Kurbelgehäuse
gespeicherte Gemisch sehr fett eingestellt, wobei die Luftzahl Lambda
in einem Bereich von etwa 0,2 bis 0,6 liegt. Das fette Gemisch schlägt sich
auf die bewegten Teile im Kurbelgehäuse nieder und verdampft, wobei
durch den Verdampfungsprozeß dem
Kurbelgehäuse
Wärme entzogen
wird. Es ergibt sich eine gute Kühlung
des Verbrennungsmotors. Eine Vereisungsgefahr des Vergasers ist
gesenkt, da die Verdampfung des Kraftstoffs im Kurbelgehäuse erfolgt.
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Darüber hinaus führt der
sich niederschlagende Kraftstoff-Öl-Wandfilm
im Kurbelgehäuse
zu einem verbesserten Wärmeübergang,
da der Wärmetransport
von einem z. B. aus Alu minium gefertigten Kurbelgehäuse auf
einen Wandfilm besser ist, als auf ein gasförmiges Gemisch.
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Der sich ausbildende Kraftstoff-Öl-Wandfilm ergibt
auch eine deutlich bessere Schmierung, so daß eine Mangelschmierung der
bewegten Teile vermieden ist.
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Die bessere Aufbereitung des Kraftstoffs
im Kurbelgehäuse
verbunden mit der besseren Schmierung ermöglicht eine geringere Zumessung
der Gesamtkraftstoff- und Ölmenge,
so daß eine
geringere Verkokung im Schalldämpfer
und im Brennraum festgestellt werden kann.
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Bevorzugt ist die Luftzahl Lambda
in einem Bereich von 0,3 bis 0,5 eingestellt, wobei die Luftzahl Lambda
im Leerlauf größer als
0,6 ist und bei ansteigender Last bis auf einen Wert von etwa 0,3
absinkt. Dabei fällt
die Luftzahl Lambda vorzugsweise etwa kontinuierlich über der
Last ab.
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In besonderer Ausgestaltung der Erfindung wird
das angesaugte kraftstoffarme bis kraftstofffreie Fluidvolumen,
z.B. ein Reinluftvolumen im wesentlichen vollständig im Überströmkanal bzw. bei Mehrkanalmotoren
in den Überströmkanälen gespeichert. Das
zwischen einem Eintrittsfenster in den Brennraum und einen Überströmfenster
zum Kurbelgehäuse
liegende Volumen eines Überströmkanals
bzw. die Summe des Gesamtvolumens mehrerer derartiger Überströmkanäle ist dabei
größer ausgelegt
als das unter Vollast angesaugte – kraftstoffarme bis kraftstofffreie
Fluidvolumen. Damit wird ein Überspülen der Überströmkanäle in das
Kurbelgehäuse vermieden,
so daß die
Einstellung einer kleinen Luftzahl ohne weiteres über den
Vergaser möglich
ist. Bevorzugt beträgt
das Gesamtvolumen der Überströmkanäle etwa
15 % bis 35 % des Hubvolumens des Motors.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus den weiteren Ansprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend
anhand von Ausführungsbeispielen
im einzelnen beschrieben. Es zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung ein handgeführtes Arbeitsgerät wie eine
Motorkettensäge,
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2 einen
schematischen Schnitt durch einen in der Motorkettensäge nach 1 angeordneten Verbrennungsmotor,
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3 einen
Schnitt durch einen Überströmkanal des
Verbrennungsmotors nach 2,
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4 ein
schematisches Diagramm zum Verlauf der Luftzahl Lambda im Kurbelgehäuse, aufgetragen über dem
Drosselklappenwinkel,
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5 in
schematischer Darstellung den Verlauf der Luftzahl Lambda im Kurbelgehäuse über der Drehzahl
1/min,
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6 in
schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen schlitzgesteuerten
Verbrennungsmotor,
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7 einen
Schnitt längs
der Linie VII-VII in 6.
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Das in 1 dargestellte
tragbare, handgeführte
Arbeitsgerät
ist eine Motorkettensäge 60,
in deren Gehäuse 61 ein
Verbrennungsmotor angeordnet ist, wie er schematisch in den 2 und 6 vorgegeben ist. Der Verbrennungsmotor
treibt ein Arbeitswerkzeug an, welches bei der gezeigten Motorkette eine
auf einer Führungsschiene 62 umlaufende
Sägekette 63 ist.
Die Führungsschiene
ist mittels eines Kettenraddeckels 64 am Gehäuse 61 des
Verbrennungsmotors festgeklemmt. Zum Tragen und Führen des
Arbeitsgerätes
ist ein hinterer Handgriff 65 sowie ein oberer Handgriff 66 vorgesehen.
Im hinteren Handgriff 65 ist ein Gashebel 67 zum
Bedienen des Verbrennungsmotors vorgesehen; dem oberen, vorderen
Handgriff 66 ist ein Handschutz 68 vorgelagert.
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Der in 2 schematisch
dargestellte Verbrennungsmotor 1 ist ein Zweitaktmotor
mit Spülvorlage.
Er besteht im wesentlichen aus einem Zylinder 2 und einem
am Fuße
des Zylinders 2 angeordneten Kurbelgehäuse 4. Im Zylinder 2 ist
ein Brennraum 3 ausgebildet, der durch einen auf und ab
bewegten Kolben 5 begrenzt ist. Der Kolben 5 treibt über ein Pleuel 6 eine
in dem Kurbelgehäuse 4 angeordnete Kurbelwelle 7 an.
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Zum Betrieb des Verbrennungsmotors 1 wird über einen
im Ausführungsbeispiel
schlitzgesteuerten Einlaß 11 ein
Kraft stoff/Luft-Gemisch in das Kurbelgehäuse 4 angesaugt. Das
Kraftstoff/Luft-Gemisch wird in einem Vergaser 8 aufbereitet,
der über einen
Einlaßkanal 9 mit
dem Einlaß 11 in
Verbindung steht.
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Bezogen auf eine Längsmittelachse 19 des Zylinders 2 liegt
dem Einlaß 11 höhenversetzt
ein Auslaß 10 gegenüber, über den
Verbrennungsgase aus dem Brennraum 3 abgeführt werden.
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Die Gemischzuführung aus dem Kurbelgehäuse 4 zum
Brennraum 3 erfolgt über
zumindest einen Überströmkanal 12, 15,
der in dem Zylinder 14 ausgebildet sein kann. Der Überströmkanal 12, 15 kann
auch als äußerer Kanal
vorgesehen sein.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt
vier Überströmkanäle 12, 15 angeordnet,
von denen jeweils zwei auf einer Seite einer durch den Einlaß 11 und
den Auslaß 10 verlaufenden,
die Längsmittelachse 19 enthaltenden
Ebene angeordnet sind. In 2 sind
die beiden Überströmkanäle 12 und 15 auf
der einen Seite des Zylinders 2 gezeigt. Jeder Überströmkanal 12, 15 mündet mit
einem Eintrittsfenster 13, 16 in den Brennraum 3 und endet
mit Überströmfenstern 22, 23 im
Kurbelgehäuse 4.
Die Überströmkanäle 12, 15 sind
zum Zylinderinnenraum durch eine Kanalwand 24 begrenzt,
die in der Ebene der Zylinderwand 14 liegt.
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Bei der in 2 gezeigten Abwärtsbewegung des Kolbens wird
das im Kurbelgehäuse 4 angesaugte
Kraftstoff/Luft-Gemisch verdichtet und strömt über die Überströmfenster 22 und 23 durch
die Überströmkanäle 12 und 15 und
die Ein trittsfenster 13 und 16 in den Brennraum 3 ein.
Bei der folgenden Aufwärtsbewegung
des Kolbens werden sowohl die Eintrittsfenster 12, 15 als
auch der Auslaß 10 geschlossen,
während
gleichzeitig durch das Kolbenhemd 30 der Einlaß 11 geöffnet wird.
Aufgrund des auf die Aufwärtsbewegung
des Kolbens 5 im Kurbelgehäuse 4 entstehenden
Unterdrucks wird über
den Einlaßkanal 9 ein
im Vergaser 8 aufbereitetes Kraftstoff/Luft-Gemisch angesaugt.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen,
das dem Kurbelgehäuse 4 zugeführte Kraftstoff/Luft-Gemisch
derart einzustellen, daß sich
im Kurbelgehäuse 4 eine
Luftzahl Lambda in einem Bereich von etwa 0,2 bis 0,6 über der
Last ergibt. Bevorzugt ist die Luftzahl λ in einem Bereich von 0,3 bis
0,5 eingestellt. Dabei ist die Luftzahl λ im Leerlauf bevorzugt größer als
0,6 und fällt
bei ansteigender Last bei Vollast 51 bis auf einen Wert
von etwa 0,3 ab, insbesondere etwa kontinuierlich ab. In einem an
den Leerlauf anschließenden
Teillastbereich 50 ist die Luftzahl Lambda etwa konstant
gehalten.
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Im Brennraum 3 hingegen
wird, vorzugsweise nachdem der Auslaß geschlossen ist und bevor der Überströmer öffnet, über den
gesamten Lastbereich die Luftzahl λ bei etwa 0,7 bis 0,95 eingestellt, wozu über einen
Fluidkanal 17 kraftstoffarmes bis kraftstofffreies Fluid,
insbesondere Frischluft in die Überströmkanäle 12, 15 angesaugt
wird. In 3 ist ein Schnitt
durch den auslaßnahen Überströmkanal 15 gezeigt.
Der Kanal 15 ist in der Wand des Zylinders 2 ausgebildet,
wobei eine innere Wand 24, die Teil der Zylinder wand 14 ist,
den Kanal 15 zum Zylinderinnenraum begrenzt. Der Überströmkanal 15 ist radial
nach außen
durch einen auf den Zylinder 2 aufgesetzten Deckel 25 verschlossen,
der mittels Befestigungselementen 27 am Zylinder 2 festgelegt
ist. Im Deckel 25 ist ein Teil des Fluidkanals 17 ausgebildet, der über ein
Fluidfenster 18 mit dem Überströmkanal 15 kommuniziert.
Eine Membran 26a wird in der gezeigten Öffnungsstellung von einem steifen
Membranhalter 26b abgestützt und bildet zusammen mit diesem
ein Membranventil 26, welches das Fluidfenster 18 steuert.
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Bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 5 in
Längsrichtung
der Längsmittelachse 19 ergibt
sich im Kurbelgehäuse 4 ein
Unterdruck, der nicht nur am Einlaß 11, sondern auch
an den Überströmfenstern 22 und 23 der Überströmkanäle 12 und 15 ansteht. Aufgrund
des Unterdrucks öffnet
das Membranventil 26 das Fluidfenster 18 und kraftstoffarmes
bis kraftstofffreies Fluid, insbesondere Reinluft strömt gemäß dem Pfeil 28 durch
das Fluidfenster 18 in den Überströmkanal 15 ein und
verdrängt
ein eventuell noch darin stehendes Kraftstoff/Luft-Gemisch eines
vorangegangenen Überströmzyklus.
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Der Überströmer 15 ist derart
ausgebildet, daß das
angesaugte Fluidluftvolumen bzw. Reinluftvolumen im wesentlichen
vollständig
im Überströmkanal 15 gespeichert
wird. Hierzu ist das zwischen dem Eintrittsfenster 16 in
den Brennraum 3 und dem Überströmfenster 23 zum Kurbelgehäuse 4 liegende gesamte
Volumen des Überströmkanals 15 gleich, bevorzugt
größer ausgelegt
als das unter Vollast von dem Verbrennungsmotor 1 angesaugte
Fluidvolumen bzw. Reinluft volumen. Dabei ist die Ausgestaltung im
Ausführungsbeispiel
nach 2 derart getroffen,
daß das
angesaugte Fluidvolumen in dem aus beiden Überströmkanälen 12 und 15 zusammengesetzten
Gesamtvolumen gespeichert wird. Es kann zweckmäßig sein, nur den auslaßnahen Überströmkanal 15 als
Speichervolumen für
das anzusaugende Fluidvolumen zu nutzen.
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Da das angesaugte kraftstoffarme
bis kraftstofffreie Fluidvolumen, insbesondere Reinluftvolumen ausschließlich im Überströmkanal 15 gespeichert
wird und somit wenig oder kein kraftstoffarmes bis kraftstofffreies
Fluid, insbesondere Reinluft aus dem Überströmfenster 23 in das
Kurbelgehäuse 4 eintritt,
bleibt dort das über
den Einlaß 11 angesaugte fette
Kraftstoff/Luft-Gemisch in seiner Zusammensetzung im wesentlichen
unverändert,
so daß die
Einstellung der Luftzahl Lambda gleich 0,2 bis 0,6 im Kurbelgehäuse ohne
weiteres über
den Vergaser 8 möglich
ist.
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Wird ein Überströmen von kraftstoffarmen oder
kraftstofffreien Fluid, insbesondere Reinluft aus den Überströmkanälen 12, 15 in
das Kurbelgehäuse 4 zugelassen,
so wird dieses zweckmäßig mit
nicht mehr als 20 % bis 30 % des Kanalvolumens des Überströmkanals 12, 15 eingestellt.
Bei einer derartigen Einstellung des Überströmvolumens kann im Kurbelgehäuse über der
Last die Einstellung der Luftzahl Lambda λ von etwa 0,2 bis 0,6 gewährleistet sein.
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Der Verlauf der Luftzahl Lambda λ unter Last ist
in 4 dargestellt. Auf
der y-Achse ist die Luftzahl Lambda λ aufgetragen; auf der x-Achse
ist der Drosselklappenwinkel (°DK)
einer im Vergaser 8 angeordneten Drosselklappe (2) wiedergegeben. In einem
ersten an den Leerlauf anschließenden Teillastbereich 50 bleibt
die Luftzahl im Kurbelgehäuse
relativ groß;
sie entspricht etwa der im Brennraum sich einstellenden Luftzahl
um die 0,75. Über
den Teillastbereich 50 hinaus fällt mit zunehmender Last bzw.
Drosselklappenwinkel die Luftzahl Lambda λ im Kurbelgehäuse 4 etwa
kontinuierlich bis auf einen Wert um die 0,2 bei Vollast bei voll
geöffneter
Drosselklappe (90°)
am Ende des Vollastbereiches 51 ab.
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Trägt man die im Kurbelgehäuse eingestellte Luftzahl
Lambda λ über der
Drehzahl 1/min auf, so ergibt sich bei niedrigen Drehzahlen unter
Last ein Wert λ um
die 0,3, der unter hohen Drehzahlen unter Last auf etwa 0,6 ansteigt.
Dieses Verhalten ist für
ein membrangesteuertes Fluidfenster 18 signifikant.
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Im Gegensatz zum membrangesteuerten Spülvorlagenmotor
nach den 2 und 3 ist in den 6 und 7 ein
schlitzgesteuerter Spülvorlagenmotor 1 wiedergegeben.
Der Spülvorlagenmotor
entspricht bis auf die Verbindung des Fluidkanals 17 mit den Überströmkanälen 12 und 15 dem
Grunde nach dem Aufbau des membrangesteuerten Spülvorlagenmotors nach den 2 und 3; gleiche Teile sind daher mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Wie sich aus den 6 und 7 ergibt,
mündet der
Fluidkanal 17 durch ein Fluidfenster 18 (7) in der Zylinderinnenwand 14,
vorzugsweise unterhalb eines Eintrittsfensters 13, 16 eines
Fluidkanals 12, 15 in den Brennraum 3.
Im Kolbenmantel 30 ist eine Kolbentasche 21 ausgebildet,
welche in einer entsprechenden Kolbenstellung das Fluidfenster 17 mit
im Ausführungsbeispiel
beiden Überströmkanälen 12, 15 verbindet.
In 7 ist dies für eine Kolbenstellung während der
Ansaugphase dargestellt.
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Die Arbeitsweise des Zweitaktmotors
nach den 6 und 7 mit dem schlitzgesteuerten
Einlaßfenster 18 entspricht
dem Grunde nach der des membrangesteuerten Zweitaktmotors nach den 2 und 3. Während
der Aufwärtsbewegung
des Kolbens 5 wird vom Kolbenmantel 30 der Einlaß 11 freigegeben,
so daß der
im Kurbelgehäuse 4 sich
aufbauende Unterdruck ein Ansaugen eines Kraftstoff/Luft-Gemisches über den
Einlaßkanal 9 bewirkt.
Da die Überströmfenster 22 und 23 zum
Kurbelgehäuse 4 offen sind,
steht der Unterdruck auch in den Überströmkanälen 12 und 15 an.
Sobald die Kolbentasche 21 das Fluidfenster 18 sowie
die Eintrittsfenster 13 und 16 überdeckt,
strömt über den
Fluidkanal 17 und das Fluidfenster 18 kraftstoffarmes
bis kraftstofffreies Fluid, insbesondere Reinluft bzw. Frischluft
in die Kolbentasche 21 und von dort weiter über die
Eintrittsfenster 13 und 16 in die Überströmkanäle 12 und 15. Die Überströmkanäle 12 und 15 werden
so vorteilhaft vollständig
in Gegenrichtung vom Fluidstrom durchströmt, so daß von einem vorherigen Überströmzyklus
im Überströmkanal noch
vorhandene Anteile eines Kraftstoff/Luft-Gemisches in das Kurbelgehäuse 4 ausgespült werden.
Dabei ist das Volumen der Überströmkanäle 12 und 15 derart
bemessen, daß kein
oder nur ein geringes Überströmen des
Fluids in das Kurbelgehäuse 4 erfolgt.
Das Kurbelgehäuse 4 kann
so mit einem fetten Kraftstoff/Luft-Gemisch mit einer Luftzahl Lambda λ von 0,2
bis 0,6 betrieben werden.
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Der Verlauf der Luftzahl Lambda λ über der Last
(Öffnungsgrad
Drosselklappenwinkel – °DK) entspricht
etwa der in 4 gezeigten
Darstellung des Verlaufs bei einem membrangesteuerten Zweitaktmotor.
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Die Luftzahl λ über der Drehzahl bleibt ausweislich 4 bei etwa 0,3 konstant,
wie die strichliert dargestellte Kurve zeigt.
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Die Einstellung eines fetten Kraftstoff/Luft-Gemisches
mit einer Luftzahl Lambda λ von 0,2
bis 0,6 führt
zu einer besseren Kühlung
des Verbrennungsmotors, da der wärmeentziehende
Verdampfungsprozeß des
Kraftstoffs nicht mehr nur im Vergaser, sondern auch im Kurbelgehäuse abläuft. Die
Gefahr einer Vereisung des Vergasers sinkt.
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Insgesamt wird dem Kurbelgehäuse weniger Kraftstoff
und Öl
zugeführt
und dennoch eine bessere Kühlung
erreicht, da aufgrund der niedrigen Luftzahl λ sich ein Kraftstoff-Öl-Wandfilm im Kurbelgehäuse ausbilden
kann. Der Wandfilm führt
zu einem besseren Wärmeübergang
vom Material des Kurbelgehäuses
auf das Gemisch, entsprechend einer an sich bekannten Spritzöl-Kühlung. Der
sich ausbildende Kraft stoff-Öl-Wandfilm
führt auch
zu einer besseren Schmierung der bewegten Teile, da ein dickerer Schmierfilm
erzielt wird. Die geringeren notwendigen Mengen an Kraftstoff und Öl senken
eine Verkokung im Schalldämpfer
und im Brennraum.
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In den Ausführungsbeispielen ist der Einlaß 11 zum
Kurbelgehäuse 4 schlitzgesteuert;
anstelle eines schlitzgesteuerten Einlasses 11 kann auch
ein membrangesteuerter Kurbelgehäuseeinlaß oder auch
ein drehschiebergesteuerter Einlaß zweckmäßig sein. Als Membranventil
eines membrangesteuerten Kurbelgehäuseeinlasses kann ein Ventil
verwendet werden, das vom Aufbau her dem Membranventil 26 in 3 entspricht.