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Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen mit verminderter Kompression
beim Anlassen Die Erfindung bezieht sich auf eine Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen,
insbesondere Einzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschinen, mit verminderter Kompression
beim Anlassen durch über den gesamten Drehzahlbereich wirksame, mit abnehmender
Drehzahl sich verstärkt auswirkende beschränkte Belüftung des Brennraumes während
eines Teils des Kolbenkompressionshubes mittels der den Gaswechsel steuernden, durch
Nocken betätigten Ventile.
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Derartige Brennkraftmaschinen werden vielfach zum Antrieb von ortsbeweglichen
Arbeitsgeräten, wie Rasenmähern, Kultivatoren, Rechen, Schneeräumern u. dgl. verwendet.
Die Benutzung solcher aus Arbeitsgerät und Brennkraftmaschine bestehenden Einheit
hat in solchem Umfange zugenommen, daß zur Bestimmung der Brauchbarkeit einer vorgegebenen
Maschine in erster Linie die Frauen und nicht die Männer zu berücksichtigen sind.
Während bisher in erster Linie Wirkungsgrad und Stabilität der Ausführung berücksichtigt
wurden, gilt jetzt als wichtigste Eigenschaft besonders erfolgreicherMaschinen die
Leichtigkeit, mit der eine Maschine angelassen werden kann. Diese Forderung hat
bei den Maschinenherstellern dazu geführt, aufziehbare Federwerkstarter vorzusehen,
bei denen das Anlassen der Maschine eine Feder vornimmt, die man zuvor mit einer
Kurbel aufgezogen hat. Wenn es sich um größere, zum Mitfahren geeignete Mäher-Traktor-Kombination
handelt, werden auch elektrische Starter verwendet.
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Offensichtlich führen diese und auch alle anderen bisher vorgeschlagenen
Hilfsmittel zum Erleichtern des Anlassens zu einer Vergrößerung der Herstellungskosten.
Im Falle des Federwerkstarters ist es äußerst unbequem, daß die Bedienungsperson
sich niederknien oder niedersetzen muß, um die für das Aufwinden der Feder vorgesehene
Kurbel zu drehen. Hinzu kommt, daß die Bedienungsperson in unmittelbarer Nachbarschaft
des Mähers gefährdet ist und einige Federwerkstarter auch dafür bekannt sind, daß
sie einen Rückschlag ausüben.
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Es ist daher leicht einzusehen, daß ein ohne vergrößerte Kosten herstellbarer,
leicht anzulassender Motor, bei dem die startende Bedienungsperson keine unbequeme
Stellung einnehmen muß, nicht nur ein Verkaufsargument, sondern überdies das von
den Motorherstellern seit jeher angestrebte Ziel ist, welches seit der Verwendung
der ersten motorgetriebenen Rasenmäher seine besondere Bedeutung hat.
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgaben. Nach der vorliegenden
Erfindung kann ein Einzylinder-Viertaktmotor, wie man ihn z. B. für Motorrasenmäher
verwendet, durch den Zug, an einem Startseil C, so leicht angeworfen werden, daß
diese Arbeit von jeder Frau auszuführen ist.
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Es ist bereits bekannt, die Drehzahl bei gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen
so zu regeln, daß bei der höchsten Drehzahl die für den jeweils verwendeten Brennstoff
höchste zulässige Endverdichtung erreicht wird. Zu diesem Zweck wird bei abnehmender
Drehzahl die Endverdichtung durch Ausschieben eines Teiles der Zylinderladung oder
durch Drosselung des Einlasses verringert. Als Nebenwirkung dieses Verfahrens ergibt
sich ein ruhiger Leerlauf und leichteres Anlassen. Für die Ausführung des bekannten
Verfahrens werden entweder zusätzliche Ventile verwendet, die parallel zur Ansaugleitung
oder dem Ansaugventil vorgeschaltet angeordnet werden, oder es wird die Wirkung
eines zusätzlichen Ventils durch eine entsprechende Steuerung des normalen Einlaßventils
ersetzt. Weiter ist es zur Erleichterung des Anlassens bekannt, den Verbrennungsraum
mittels eines Gaswechselventils während eines Zeitabschnittes beschränkt zu belüften,
indem der Kolben etwa bis drei Viertel seines ab unterem Totpunkt gemessenen Kompressionshubes
zurücklegt.
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Bei der Auslaßventilsteuerung für aufgeladene, mit hoher Ventilüberschneidung
und Spülung des VerdichtungsraumesarbeitendeViertaktbrennkraftmaschineu, in welchen
der Abstand zwischen Kolbenboden und gegenüberliegender Zylinderwand für die Anwendung
beliebiger Ventilerhebungskurven ausreichend
ist, ist es bekannt,
daß zwecks Verbesserung der Kühlung das Auslaßventil während des ganzen oder während
eines Teiles des Spülvorganges, insbesondere nach Ausspülung der Restgase, nur um
einen im Verhältnis zum Gesamthub kleinen Betrag geöffnet wird. während das Einlaßventil
schnell ganz geöffnet wird. Es ist bekannt, derartige besondere Erhebungsformen
in der Kurve der Ventilbewegung durch besondere Nockengestaltung zu erreichen.
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Eine Ventilsteuerung findet auch Anwendung bei einem bekannten Verfahren,
bei welchem die Leistung von Viertaktverbrennungsmaschinen vergrößert werden soll,
die im Verhältnis zum Kolbenhub nur eine kleine Verbrennungskammer aufweisen. Derartige
Maschinen neigen bei höheren Drehzahlen zum Klopfen, wodurch die Leistung des Motors
verringert wird. Bei dem bekannten Verfahren werden diese Störungen durch die Kombination
eines höheren Verdichtungsverhältnisses und einer längeren öffnungsperiode des Einlaßventils
behoben. Das Ventil wird etwa nach der Hälfte der Kolbenbewegung während des Kornpressionshubes
geschlossen.
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Das zuletzt erwähnte Verfahren vermindert die Kompression während
des Anlaßvorganges nicht in derart erheblichem Umfange, daß dadurch das Anlassen
erleichtert würde. Für diesen Zweck werden bisher deshalb besondere Kompressionsverminderungs-
und Kompressionsbeseitigungvorrichtungen verwendet, die nach dem Starten des Motors
von Hand oder selbsttätig durch die Maschine außer Betrieb gesetzt werden müssen.
Neben der Verwendung besonderer Ventile werden außerdem Mittel angewendet, mit denen
zum übergang in den normalen Betriebszustand des Motors entweder ein Nocken verschoben.
ein Ventil geschlossen oder sonst irgendwelche Anordnungen betätigt werden, um die
Kompressionsverminderungs- oder -beseitigungsvorrichtung außer Betrieb zu setzen.
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Hier liegt der Grund dafür, daß die Motorhersteller von den bisher
bekannten Hilfsvorrichtungen wieder Abstand genommen haben und dafür lieber bis
zum heutigen Tage Federwerkstarter oder die noch kostspieligeren elektrischen Starter
verwenden. Andererseits weiß man aber von vornherein, daß in der Erzielung einer
merklichen, nicht beim Lauf der Maschine, sondern nur behn Stab auftretandie Kornpressionsverminderung
eine langerwünschtes Resultat liegt, sofern man es erhalten kann, ohne die Kosten
des Motors zu vergrößern und ohne irgendwelche besonderen manuellen Betätigungen
am Motor während des Startens oder während des Laufes vornehmen zu müssen.
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Die Entdeckung, auf der die vorliegende Erfindung basiert, hat zu
einer Lösung der vorstehenden Aufgabe geführt. Die Entdeckung liegt in folgendem:
Wenn der Verbrennungsraum während des Hauptteiles des Kompressionshubes in geringem
Maße belüftet wird, vermindert sich die Kompression beim Starten, wenn der Kolben
sich langsam bewegt, ganz merklich, während bei Arbeitsdrehzahlen, wenn der Kolben
sich wesentlich schneller bewegt, die auftretende Belüftung noch nicht so groß ist,
daß sie die Arbeitsweise des Motors merklich beeinträchtigt.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer Ventilsteuerung
der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß der das Einlaßventil oder der das
Auslaßventil betätigende Nocken - wie an sich bekannt - eine das jeweilige
Ventil geringfügig von seinem Sitz abhebende. in einem Winkelbereich außerhalb der
dem Gaswechsel zugeordneten Erhebung liegende Erhebungsform aufweist und daß das
Ventil in ebenfalls bekannter Weise erst nach dem Zurücklegen von etwa drei Viertel
des Kolbenkompressionshubes schließt. Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung
besteht darin, daß das vom Nocken betätigte Ventil bei der Belüftung des Brennraumes
zwischen 0,125 und 0,5 mm vom Sitz entfernt gehalten wird. Für das
zuletzt genannte Merkmal wird Schutz nur zusammen mit Merkmalen des Gegenstandes
des Hauptanspruches beansprucht.
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Der Kernpunkt der vorliegenden Erfindung liegt in der beschränkten
Belüftung des Verbrennungsraumes während aller Kompressionshübe des Kolbens unabhängig
von der Motordrehzahl in solchem Maße, daß bei Betriebsdrehzahlen das Erreichen
der für einen guten Motorbetrieb erforderlichen Kompressionswerte Dicht behindert
wird, während bei den wesentlich langsameren Kolbenbewegungen beim Starten der Maschine
eine merkliche Verminderung der Kompression erzielbar ist und das Anlassen leichter
wird. Da das Einlaßventil normalerweise während des überganges vom Ansaug- zum Kompressionshub
geöffnet ist, läßt sich die beschränkte Belüftung des Verbrennungsraumes am bequemsten
erreichen, indem man einfach das Ende der Schließbewegung des Einlaßventils später
legt. Hierzu genügt es, das Profil des Nockens, mit dem das Einlaßventil gesteuert
wird, geringfügig zu verändern.
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In den Zeichnungen sind mehrere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beispielsweise veranschaulicht. In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht
eines Motorrasenmähers mit erfindungsgemäß abgewandeltem Antriebsmotor, weicher
einen besonders einfachen Anlasser aufweist, F i g. 2 einen vertikalen Querschnitt
durch eine bevorzugte Ausführungsforrn des erfindungsgemäß abgewandelten Motors,
F i g. 3 ein Diagramm über die öffnungs- und Schließbewegungen des Einlaßventils
während der Ansaug- und Kompressionshübe des erfindungsgemäß ausgebildeten Motors
und F i g. 4 ein der F i g. 3 ähnliches Diagramm zur Erläuterung einer
abgewandelten Ausführungsform der Erfindung, bei der an Stelle des Einlaßventils
das Auslaßventil dazu verwendet wird, die gewünschte Kompressionsverminderung zu
erzielen.
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Da die vorliegende Erfindung vor allem für Einzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschinen
vorgesehen ist, zeigen die Zeichnungen, an denen die vorliegende Erfindung erläutert
wird, eine solche Maschine. In üblicher Weise gehört zu einer solchen Brennkraftmaschine
ein Zylinder 7, eine Kurbelwelle 8 und ein Kolben 9, der über
die Kolbenstange 10 mit der Kurbelwelle verbunden ist. Der Kolben bildet
zusammen mit dem Zylinder und einem Zylinderkopf 11 einen Verbrennungsraum
12. In dem Zylinderkopf ist eine Zündkerze angeordnet, welche den während des Ansaughubes
des Kolbens angesaugten und während des Kompressionshubes komprimiertenBrennstoff
zündet.
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Wie allgemein üblich, liegt der Zündzeitpunkt kurz vor der Beendigung
des Kompressionshubes des Kolbens.
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Der Brennstoff wird unter Steuerung eines Einlaßventils
15 über einen Ansaugstutzen 14 aus einem Vergaser angesaugt, während die
Verbrennungsprodukte während des Auspuffhubes aus dem Zylinder
über
die vom Auslaßventil (nicht dargestellt) gesteuerte Auslaßöffnung ausgedrückt werden.
Die Ansaug-und Auslaßventile werden mit Federn 18 geschlossen gehalten und
mit Nocken 20 geöffnet. Die Nocken befinden sich auf einer Nockenwelle 22, die mit
Hilfe der Kurbelwelle mit halber Kurbelwellendrehzahl angetrieben wird.
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Das Profil des Nockens 20, mit dem das Einlaßventil gesteuert wird,
ist so ausgebildet, daß es für etwa 54- der Kurbelwellenumdrehung für eine Beharrungsperiode
sorgt, die in dem Diagramm der F i g. 3 mit der Bezeichnung »Verharren, geringfügig
geöffnet« versehen ist. Während dieser Periode des Verharrens wird das Einlaßventil
von seinem Sitz um einen vorzugsweise konstanten Betrag von etwa 0,125 bis
0,5 mm ferngehalten. Während der nachfolgenden 201' Kurbelwellendrehung kommt
es zu einem vollständigen Schließen des Einlaßventils.
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Wenn auf diese Weise das Schließen des Einlaßventils verzögert und
dieses um 0,125 bis 0,5 mm von seinem Sitz ferngehalten wird, kommt
es während des größten Teiles des Kompressionshubes zu einer beschränkten Belüftung
des Verbrennungsraumes.
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Da das Einlaßventil während des überganges vom Ansaughub zum Kompressionshub
geöffnet ist, liegt die bequemste Realisierung der Erfindung darin, daß man das
Schließen dieses Ventils in der beschriebenen Weise verzögert. Es ist aber auch
möglich, das Auslaßventil zum rechten Zeitpunkt zu öffnen und für die entsprechende
Zeit in erforderlichem Maße offenzuhalten. Zu diesem Zweck wird der Nocken des Auslaßventils
mit einem zusätzlichen Ansatz versehen, der so bemessen und angeordnet ist, daß
das Auslaßventil kurz nach Beginn des Kompressionshubes geöffnet und über einen
Bereich von 500 der Kurbelwellenumdrehung um einen Betrag zwischen
0, 125 bis 0,5 mm von seinem Sitz abgehoben wird und dann innerhalb
der nächsten 201' Kurbelwellenumdrehung wieder schließt. In einem solchen Falle
arbeitet das Einlaßventil normal.
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Vor der Erprobung dieser Erfindung wurde vermutet, daß eine Verbindung
des Ansaugstutzens mit dem Verbrennungsraum während eines größeren Teiles des Kompressionshubes
nachteilige Einflüsse auf den Vergaser und die Zufuhr des Brennstoffes zur Brennkammei
während des Ansaughubes haben würde. Es wurde auch vermutet, daß die Belüftung des
Verbrennungsraumes beim Lauf der Maschine ernstlich die Leistung und die allgemeinen
Arbeitsweise der Maschine beeinflussen würde. Die tatsächlichen Erfahrungen haben
aber gezeigt, daß diese Vermutungen vollkommen unbegründet sind.
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Wiederholte überprüfungen zeigten, daß der Leistungsverlust der Maschine
bei normalen Betriebsdrehzahlen in einer Größenordnung von etwa 5 1/o liegt.
Dies ist in der Tat ein unbedeutender Preis für die große Arbeitsverminderung beim
Anlassen der Maschine.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß
ein eventuell beim Starten auftretender Rückstoß der Maschine harmlos wird. Wenn
auch die Erfindung den nur bei kleinen Drehzahlen möglichen Rückstoß nicht beseitigt,
so wird doch die Kraft des Rückschlages bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Maschine unbedeutend im Vergleich zu dem Rückstoß bei üblichen Brennkraftmaschinen.
Die Verminderung der Rückstoßkraft ist dadurch zu erklären, daß wegen der Belüftung
des Verbrennungsraumes während des Anlassens dort nur eine geringe Brennstoffmenge
zur Zündung zur Verfügung steht und zum zweiten, daß unmittelbar nach dem Rückstoß
der Maschine das Einlaßventil wieder öffnet und erneut den Verbrennungsraum belüftet.
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Die abgegebene Leistung wurde in üblicher Weise bestimmt. Um die Arbeitsleistung
für das Anlassen der Maschine zu bestimmen, wurde ein am Startseil befestigtes Gewicht
einen bestimmten Weg fallen gelassen. Um eine übliche Brennkraftmaschine anzulassen,
war es erforderlich, ein Gewicht von 35 kg 60 cm fallen zu lassen. Nachdem
man aber die gleiche Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung abgewandelt hatte,
war es bei wiederholt durchgeführten Startvorgängen nur erforderlich, ein Gewicht
von 15 kg
über den gleichen Weg fallen zu lassen. Dies heißt, daß ein Zug
von 22,5 kg über einen Weg von 40 cm oder ein 30-kg-Zug über einen Weg von
30 cm ausreichend ist, um die erfindungsgemäß abgewandelte Maschine zu starten.
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Die vorliegende Erfindung erleichtert nicht nur das Anlassen der Maschine,
sondern ermöglicht infolge der geringeren erforderlichen Kräfte auch noch, die Startvorrichtung
z. B. am Handgriff eines Motorrasenmähers anzubringen. Eine solche Startvorrichtung
ist in der F i g. 1 dargestellt. Diese Startvorrichtung besteht aus einem
Führungsrohr 30, welches mit der Lenkstange 31 des Rasenmähers verbunden
und oben in der Nähe der Handgriffe 32 und unten in der Nähe der Mäherdeckplatte
angebracht ist. In dem Führungsrohr 30 ist ein zweites Rohr 33 längsverschieblich
angebracht, welches an seinem oberen Ende mit einem Handgriff 34 versehen ist und
mit dem im Rohr 30 geführten Zugseil 35 eines üblichen Zugseilstarters
36 der Maschine in Verbindung steht. An der Stelle, an der das Seil an den
unteren Enden der ineinandergleitenden Rohre austritt, läuft es über eine Rolle
37 und von dort unter einem nach oben gerichteten Winkel zur Anlaßvorrichtung
36.
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Um die Maschine anzulassen, ergreift die Bedienungsperson den Handgriff
34 mit der einen Hand und zieht das Rohr 33 heraus. Da hierzu keine übermäßig
große Kraft erforderlich ist, kann die Bedienungsperson leicht den Rasenmäher mit
der einen Hand an den Handgriffen 32 halten und dabei sogar die Mähmaschine
so kippen, daß die Messer vom Gras abgehoben werden, wenn die Maschine im hohen
Gras angelassen wird. In jedem Falle kann die Bedienungsperson die Maschine anlassen,
ohne besonders große Kräfte anwenden zu müssen und ohne aus dem Gleichgewicht zu
kommen.
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Es sei noch erwähnt, daß die vorliegende Erfindung, obwohl nur spezielle
Ausführungsforinen nach den bisher besten Erfahrungen beschrieben wurden, innerhalb
des Rahmens der nachfolgenden, Patentansprüche abwandelbar ist.