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Zweitaktmotor
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Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches,
die heute insbesondere noch für den Bereich Motorsägen, Rasenmäher, Zweiradantriebe
od. dgl.
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Geräte nach wie vor breite Anwendung finden.
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Zweitaktmotoren der genannten Art sind hinlänglich bekannt und können
als weitgehend konstruktiv ausgereift bezeichnet werden. In der Regel bestehen zumindest
die Kolben derartiger Motoren aus Alu, das insbesondere thermisch jedoch nur in
Grenzen belastbar ist, d.h. bis etwa 4500 C, wobei die Festigkeiten bei zunehmenden
Temperaturen nachlassen.
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Außerdem hat Alu einen relativ hohen Ausdehnungskoeffizienten, so
daß die Kolben in bezug auf die Zylinderlauffläche ein relativ großes Spiel haben
müssen. Die Tendenz geht heute in Rücksicht auf die mit derartigen Motoren gegebene
Umweltbelastung dahin, das Benzin-Luftgemisch abzumagern, was aber zu höheren Temperaturen
beim Betrieb des Motors führt. Der Betrieb mit bleifreiem Benzin verlangt außerdemhöhere
Oktanzahlen. Bei schlagartigen Belastungen, wie sie durch den Verbrennungavorgangin
derartigen Motoren permanent gegeben sind, klingt Alu sehr hell, was also zu einer
Geräuschbildung mit relativ hoher Frequenz führt.
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In Rücksicht auf das Dehnungsverhalten von Alu, wie vorerwähnt, führt
das notwendig große Spiel zwischen Kolben und Zylinderwand, insbesondere beim Kaltstart,
unvermeidbar
zu einem mehr oder weniger starken Durchblasen. Wollte man dabei
höhere Temperaturen in Betracht ziehen, so müßte der thermisch hoch belastete, sogenannte
Feuersteg des Kolbens bezüglich seines Durchmessers noch weiter zurückgenommen werden,
was die Durchblastendenz noch weiter erhöht.
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Da die Motoren heutiger Bauart sowohl hinsichtlich der Materialauswahl
als auch konstruktiv als gewissermaßen voll "ausgereift" zu bezeichnen sind, besteht
für diese Motoren praktisch keine Möglichkeit mehr, den heutigen Tendenzen hinsichtlich
Kraftstoffersparnis und Umweltbelastung am Motor selbst Rechnung zu tragen.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Zweitaktmotor
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß diesen Tendenzen besser
Rechnung getragen werden kann, ohne dabei das bisherige Konstruktionsprinzip verlassen
zu müssen und der die Möglichkeit bietet, auch ölfrei betrieben werden zu können.
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Diese Aufgabe ist mit einem Zweitaktmotor der eingangs genannten Art
nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angeführten Merkmale
gelöst. Vorteilhafte Ausfühungsfomen ergeben sich nach den Unteransprüchen.
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Wesentlich für diese Lösung ist also, daß auf die Verwen-
dung von Alu für die Ausbildung des Kolbens ganz verzichtet wird,
sondern dafür ein anderes, bisher überhaupt noch nicht in Betracht gezogenes Material
zu verwenden nämlich Preß- oder Elektrographit, das im Vergleich zu Alu einen relativ
geringen Ausdehnungskoeffizienten hat und thermisch höher belastbar ist. Allerdings
ist hierfür nicht schlechthin jeder Preßgraphit geeignet, sondern eine Hartbrandkohle
oder Elektrographit mit bestimmter Biegefestigkeit, denn es hat sich gezeigt, daß
Preßgraphite bzw. Hartbrandkohle mit geringeren Biegefestigkeiten den in derartigen
Motoren auftretenden Belastungen nicht gewachsen sind und im Bereich des Kolbenbodens
reißen. Mit der Auswahl eines derartigen Materials allein ist es aber auch nicht
getan, sondern es ist auch erforderlich, den Kolbenboden mindestens torbrennungaraumßeitig
abbrandfest vergütet aus zu bilden, was aber problemlos bewerkstelligt werden kann,
indem man die Beaufschlagungsfläche vergütet und erforderlichenfalls auch die Kolbenbodeninnenfläche.
Erst diese beiden Maßnahmen zusammen, d.h. Auswahl eines Materials mit ausreichender
Biegefestigkeit und Ab- bzw. Ausbrandfestigkeit des Kolbens, ermöglichen es, einen
Kolben aus Preßgraphit der genannten speziellen Art benutzen zu können.
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Unter dem Begriff "vergütet" sind im vorliegenden Falle zu verstehen
Karbidisieren, Silizieren, Nitrieren aber auch modifizierende Behandlungen von Graphit,
insbesondere in Richtung auf größere Härtevermittlung und zwar für den Kolbenboden,
die - Lauffläche und die Kolbenringe.
Für diese Kolbenringe gilt
dies aber nur dann, wenn derartige Zweitaktmotoren wie bisher mit Treibstoff-Öl-Gemisch
gefahren werden.
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Ferner ist unter der Definition "mindestens die Lauffläche" aus dem
gleichen oder ähnlichen Material herzustellen, zu verstehen, daß ggf. auch den den
Zylinder enthaltende Block aus diesem Material bilden zu können, welcher Möglichkeit
aber aus wirtschaftlichen Gründen der Preis dieses Materials entgegensteht und dies
sowieso nur für eine Luftkühlung in Betracht gezogen werden könnte, die keine Hohlform
des Blockes verlangt. Grundsätzlich könnte also der Zylinder aus dem gleichen Material
gebildet werden, bevorzugt wird aber, und zwar in Rücksicht auch auf die Kühlbarkeit
in herkömmlicher Weise mittels Wasser, die Ausbildung der Lauffläche im Zylinder
aus siliziertem Kohlenstoff, Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder bspw.
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Invar-Stahl mit einer keramischen Spritzschicht und zwar in Form einer
in den Zylinder einsetzbaren laufbüchse. Unter diesen Materialien sind die erwähnten
"ähnlichen Materialien" zu verstehen, die in etwa den gleichen Ausdehnungskoeffizienten
wie das Kolbenmaterial haben. Sofern das gleiche Material wie das für den Kolben
benutzt wird, besteht auch die Möglichkeit, die Kolbenringe aus entsprechendem Material
zu fertigen. Hierbei wäre aber zu berücksichtigen, daß die Elastizität von Kolbenringen
aus derartigem Material nicht ausreicht, um derartige Kolbenringe
in
ihre Nuten am Kolben einbringen zu können. Sofern also Kolbenringe aus dem gleichen
Material benutzt werden, bedarf dies einer Sonderkonstruktion, nämlich vorteilhafterweise
dahingehend, daß ein solcher Kolbenring zweiteilig ausgebildet wird, wobei an mindestens
einem Stoßstellenbereich der beiden Ringteile ein federndes Spreizelement aus dem
gleichen Material angeordnet ist, was noch näher erläutert wird. Obgleich grundsätzlich
möglich, sind wegen des ungünstigen Verschleißverhaltens Kolbenringe aus unvergütetem
Graphit zu vermeiden, zumal es ohne weiteres möglich ist, wie bisher Ferroguß zu
verwenden, der allerdings mit einer Keramikbeschichtung versehen werden muß oder
Kolbenringe aus Vollkeramik oder schließlich Kolbenringe aus Carbonfasern, die ohne
weiteres einer Silizierung zugänglich sind. Jenach Auswahl des Materials für die
Laufbüchse im Zylinder, hat man es also in der Hand, die jeweils erforderlichen
Kolbenringe hinsichtlich ihrer Elastizität entweder konstruktiv in noch zu erläuternder
Weise anzupassen oder dafür ausreichend elastisches Material der genannten Art zu
verwenden. Dies gilt aber nur für den Fall, daß der Motor mit Benzin/Öl-Gemisch
gefahren wird.
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Hinsichtlich der bevorzugt vorgesehenen Ausbildung der lauffläche
in Form einer in den Zylinderblock einzusetzenden Büchse, was ja grundsätzlich bekannt
ist, ergibt sich in bezug auf das Material des Zylinderblockes bei Luftkühlung das
Problem unterschiedlichen Wärmedehnungsverhaltens,
wobei im vorliegenden
Fall der Luftkühlung besonders Rechnung zu tragen ist, da luftgekühlte Zweitaktmotoren
bei Geräten der eingangs genannten Art fast ausschließlich als Antriebe in Frage
kommen. Das Zylinderblockmaterial dehnt sich nämlich schneller und weiter aus als
das Material der Laufbüchse, was dazu führte, daß die laufbüchse im Block ihren
festen Halt verlöre. Dieses Problem, das sich durch die bevorzugte Anwendung einer
in den Zylinderblock einzusetzenden Büchse ergibt, ist dadurch bewältigbar, daß
man konstruktiv für eine elastische Umfassung der Kolbenbüchse sorgt, was ebenfalls
noch näher erläutert wird. Die mit dem wesentlichen Punkt der erfindungsgemäßen
Maßgabe, nämlich Verwendung einer Hartbrandkohle bestimmter Biegefestigkeit verbundenen
Randprobleme sind also ebenfalls sowohl hinsichtlich der Kolbenringe als auch hinsichtlich
der zu berücksichtigenden unterschiedlichen Dehnungsverhalten beherrschbar, zumal
bei Wasserkühlung keine gravierenden Dehnungsprobleme auftreten, da hier das Material
des Zylinderblockes eine ausreichende Kühlung erfährt und bei Dehnung dem Kolben
gewissermaßen nicht "davonlaufen" kann. Dies gilt auch für den Bereich der Lagerung
des Kolbenbolzens, an dem das Pleuel angelenkt werden muß. Dafür den Kolbenbolzen
wegen der zu berücksichtigenden Belastungen nicht ebenfalls Preßgraphit benutzt
werden kann, sondern eine Stahlbüchse, die einen größeren Ausdehnungskoeffizienten
als Hartbrandkohle hat, würde dies sehr schnell zu einem Zersprengen
des
Kolbens aus Hartbrandkohle führen. Bei herkömmlichen Kolben aus Alu ergibt sich
dieses Problem nicht, weil Alu im Vergleich zu Stahl einen größeren Ausdehnungskoeffizienten
hat, wodurch sich automatisch ein ausreichendes Spiel im Betriebszustand für den
Kolbenbolzen ergibt, das aber grundsätzlich für den Betriebszustand an sich nicht
wünschenswert ist. Im vorliegenden Fall ist diesem Problem in einvfacher Weise dadurch
zu begegnen, daß die Bohrungen am Kolben für den Kolbenbolzen in bezug auf den Außendurchmesser
des Kolbenbolzens mit einem Spiel derart bemessen werden, daß sich bei Betriebstemperatur
ein minimales Spiel ergibt. Hierbei liegen also in günstiger Weise die Verhältnisse
gerade umgekehrt, d.h., der Kolbenbolzen hat im warm gefahrenen Betriebszustand
des Motors sein ideales, d.h.
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geringes Lagerspiel.
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Die erfindungsgemäße Lösung führt also im Endergebnis zu einem thermisch
höher belastbaren Motor und damit zu der Möglichkeit, den Motor mit abgemagertem
Treibstoff/Luftgemisch fahren zu können. Außerdem kann, und dies ist ebenfalls wesentlich,
das Spiel zwischen Kolben und Laufbüchse wesentlich geringer gehalten werden, was
dem sogenannten Durchblasen vorteilhaft entgegenwirkt. Da Preßgraphit bzw. Hartbrandkohle
bei schlagertiger Belastung wesentlich dumpfer klingt, also mit wesentlich niedrigeren
Frequenzen schwingt, ist auch die Geräuschbildung durch einen derartigen Kolben
wesentlich reduziert. Hinzu kommt
noch, daß das erfindungsgemäß
benutzte Kolbenmaterial mikrostrukturell gesehen, saugfähig ist, also Ö1 aufnehmen
und wieder abgeben kann, und demgemäß dessen sowieso gegebenen Selbstschmiereigenschaften
dadurch noch verbessert werden und damit die Kaltlaufeigenschaften eines solchen
Motors wesentlich verbessert sind.
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Da es sich, wie erwähnt, beim erfindungsgemäß benutzten Kolbenmaterial
um selbstschmierendes Material handelt, ist aber auch vorteilhaft die Möglichkeit
eröffnet, einen solchen Motor auch ölfrei betreiben zu können, was bisher immer
genau an diesem Punkt gescheitert ist, da es nicht genügt, für selbstschmierende
Kolbenringe und selbstschmierende Lager zu sorgen, denn es hat sich gezeigt, daß
bei ölfreiem Betrieb Kolben und laufbüchse gefressen haben, was nunmehr nicht auftreten
kann, da der ganze Kolben aus selbstschmierendem Material gebildet ist.
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Der erfindungsgemäße Motor wird nachfolgend anhand der zeichnerischen
Darstellung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Es zeigt schematisch Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Zweitaktmotor
mit Luftkühlung; Fig. 2 einen Zylinder mit Kolben für Luftkühlung; Fig. 3 in Draufsicht
eine besondere Ausführungsform des Kolbenringes und Fig. 4 eine besondere Ausführungsform'des
Zylinders für Luftkühlung.
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Wie aus Fig. 1 erkennbar, besteht der Zweitaktmotor aus einem Zylinderblock
9 mit einem oder mehreren Zylindern 4, wobei in jedem Zylinder ein mit mindestens
einem Kolbenring 5 bestückter Kolbeniangeordnet ist, der, mit dem Kurbeltrieb in
Verbindung stehend, im Zylinder 4 auf und ab beweglich ist. Der bzw. die Kolben
1 sind aus Preßgraphit in Form von Hartbrandkohle oder Elektrographit mit einer
im Bereich von mindestens 75 N/mm2 liegenden Biegefestigkeit ausgebildet. Wesentlich
ist dabrennraumseitigen bei, daß der Boden 2 mindestens an derrBeaufschlagungsfläche
2' abbrandfest vergütet ausgebildet ist und zwar vergütet im Sinne wie einleitend
vorerwähnt, was bspw. in der Weise erfolgen kann, daß Siliziumpulver in dünner Schicht
aufgebracht und im Autoklaven aufsiliziert wird, wobei das Pulver mit dem Graphit
eine homogene Verbindung eingeht und die "Vergütungsschicht" sowohl einen Abbrandschutz
darstellt als auch zur Verfestigung des Gefüges der Beaufschlagungsfläche 2' beiträgt.
Ferner ist die Lauffläche 3 des Zylinders aus gleichem aber laufflächenvergütetem
oder einem ähnlichen Material gebildet, das etwa
das gleiche Wärmedehnungsverhalten
wie das Material des Kolbens hat. Zweckmäßig und vorteilhaft wird dabei die lauffläche
in Form einer Büchse eingesetzt, wobei es aber grundsätzlich auch möglich ist, die
Wandung des Zylinders entsprechend zu vergüten. Der mindestens eine Kolbenring 5
jedes Kolbens 1 ist aus gleichem und/oder abbrandfest gebildetem Material gebildet,
wobei dem Kolbenring 5 hinsichtlich seiner Elastizität konstruktiv oder durch Wahl
ausreichend elastischen Materials die erforderliche Elastizität vermittelt wird.
Die hier angesprochene Elastizität bezieht sich darauf, den Kolbenring bei radialer
Verformung in axialer Richtung auf den Kolben aufziehen zu können und in die entsprechende
Nut einrasten zu lassen.
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Um einen derart ausgebildeten Motor störungsfrei arbeiten lassen zu
können, besteht ein weiteres Merkmal darin, daß die Bohrungen 12 am Kolben 1 für
den Kolbenbolzen 13 in bezug auf den Außendruchmesser des Kolbenbolzens 13 mit einem
Spiel derart bemessen sind, daß bei Betriebstemperatur ein minimales Spiel gegeben
ist. Im kalten Zustand hat also der Kolbenbolzen 13 gemäß Fig. 2 in bezug auf die
Bohrung 12 ein ausreichendes Spiel, das dann weitgehend bei Erwärmung durch entsprechende
Ausdehnung des stählernen Kolbenbolzens 13 ausgeglichen wird, so daß dann im Betriebszustand
ein minimales Spiel vorhanden ist.
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In Rücksicht auf die laufflächenvergütung können die Kolbenringe 5
aus keramikbeschichtetem Ferroguß, aus Keramik,
wie Zirkonoxid
od. dgl. oder aus vergütetem Karbonfasermaterial gebildet sein. Es ist aber auch
möglich, das gleiche Material wie für den Kolben zu benutzen und zwar in Rücksicht
auf den Verschleiß ebenfalls entsprechend vergütet, was jedoch eine spezielle Konstruktion
des Kolbenringes im Sinne der Fig. 3 erfordert, da Hartbrandkohle bzw.
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Elektrographit keine ausreichende Elastizität hat, um den Kolbenring
aus diesem Material in axialer Richtung, wie vorerwähnt, auf den Kolben aufbringen
zu können. Ein derartiger Kolbenring besteht gemäß Fig. 3 aus zwei Teilen 5', zwischen
denen an mindestens einem Stoßstellenbereich 6 ein federndes Spreizelement 7 aus
dem gleichen Material angeordnet ist. Die beteiligten Flanken der Teile 5' und des
Spreizelementes 7 sind, wie dargestellt, konisch zugerichtet und das Spreizelement
ist im Inneren mit einer kleinen Feder 7' gegen den Nutboden des Kolbens abgestützt.
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Diese drei Teile können also ohne weiteres und ohne den Kolbenring
insgesamt axial aufziehen zu müssen, von der Seite her in die betreffende Kolbenringnut
eingesetzt werden, wonach der mit diesem Ring bestückte Kolben in den Zylinder 4
eingeschoben wird. Da das Spreizelement unter dem Druck der kleinen Feder 7' steht,
legen sich die Teile 5' des Kolbenrings dicht an die lauffläche 3 des Zylinders
4 an. Durch die Zwischenschaltung des Spreizelcmentes ist auch bei dieser Materialauswahl
die entsprechende Federungseigenschaft in bezug auf den ganzen Ring gegeben, die
das andere genannte Kolbenringmaterial von sich aus mitbringt. Die Anordnung einer
laufbüchse 8 im
Sinne der Fig. 2 innerhalb eines Zylinderblockes
aus anderem Material geschieht in herkömmlicher Weise, wobei hinsichtlich des anderen
Dehnungsverhaltens des Zylinderblockmaterials, sei es Stahl-oder Aluguß, kein Problem
darstellt, da durch das Kühlwasser dieses Material ausreichend gekühlt wird, sich
entsprechend gering ausdehnt und damit der eingesetzten Laufbüchse 8, die einerseits
ein geringeres Ausdehnungsvermögen hat, andererseits aber stärker Temperaturbeaufschlagt
ist, nicht "davonlaufen" kann. Die verschiedenen Konstruktionsmöglichkeiten für
den Einsatz und die Fixierung derartiger Laufbüchsen bedarf keiner besonderen Erläuterung,
da hierfür eine Unzahl von Konstruktionsmöglichkeiten bekannt ist, einschließlich
der Möglichkeiten von Abdichtungen bei sogenanntennassen'Zylinderlaufbüchsen.
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Wie vorerwähnt, besteht grundsätzlich die Möglichkeit bei Luftkühlung
den betreffenden Zylinder 4 aus dem gleichen Material zu fertigen, aus dem auch
der Kolben gefertigt ist. Wegen des Preises dieses Materials wird jedoch auch hierbei
die Anordnung einer Laufbüchse 8 im vorerwähnten Sinne bevorzugt, wobei jedoch zu
berücksichtigen ist, daß hierbei das die Büchse haltende Material nicht mehr so
intensiv gekühlt werden kann, wie das bei einer Wasserkühlung der Fall ist. Aus
diesem Grunde erfolgt in diesem Falle der Einbau der * laufbüchse 8 unter Ausbildung
einer elastischen Umfassung 11 und zwar im Sinne der in Fig. 4 dargestellten
Ausführungsform.
Wie aus Fig. 4 erkennbar, ist zur Ausbildung der elastischen Umfassung 11 der Büchse
8 die Wand des Zylinders 4 mit einem Schlitz 14 und mit Ansätzen15 versehen, die
mit einer der Ausdehnung der Büchse 8 entgegenwirkenden Bimetallklammer 16 zusammengehalten
sind. Vorteilhaft erfolgt dabei die Anordnung auf der abgasfernen Seite, da hier
dieser Bereich des Motors relativ kühler ist.