DE3625050A1 - Verfahren zur betaetigung eines ventils am abgasauslass eines durch abgasimpulse aus einer verbrennungskraftmaschine antreibbaren kolbenladers und ventilanordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zur betaetigung eines ventils am abgasauslass eines durch abgasimpulse aus einer verbrennungskraftmaschine antreibbaren kolbenladers und ventilanordnung zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betätigung
eines im Tak der Abgasimpulse steuerbaren Ventils am
Abgasauslaß eines durch Abgasimpulse aus einer Verbren
nungskraftmaschine antreibbaren Kolbenladers, der min
destens einen einen Abgaseinlaß und einen Abgasauslaß
aufweisenden, durch einen beweglichen Kolben begrenz
ten Entspannungsraum aufweist, sowie eine Kolbenma
schine zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Damit die arbeitsfähige Energie der am Kolbenlader ein
treffenden Abgase optimal genützt werden kann, ist
eine Steuerung des Abgasauslasses erforderlich, weil
andernfalls ein Großteil der Abgase aus dem Entspan
nungsraum ausfließen kann, ohne Arbeit zu verrichten.
Ein Ventil im Abgasauslaß bei einem abgasgetriebenen
Kolbenlader ist in der DE-OS 33 18 136 erwähnt, ohne
daß jedoch erläutert ist, wie dessen Steuerung ausge
führt werden soll.
Bekannte Kolbenmaschinen für den Betrieb durch die
Abgase einer Verbrennungskraftmaschine besitzen auf
der Auslaßseite eine Ventilsteuerung, die direkt vom
Verbrennungsmotor angetrieben wird. Dies führt zu kom
plexen und dadurch teueren Konstruktionen, die außer
dem die Freizügigkeit bei der räumlichen Anordnung
der Kolbenmaschine relativ zur Verbrennungskraftma
schine behindern. Wirkt die Kolbenmaschine als Hilfs
maschine mit der Verbrennungskraftmaschine zusammen,
insbesondere als Lader, so ist eine Anpassung der Kol
benmaschine an die Betriebszustände der Verbrennungs
kraftmaschine erwünscht, die bei einer Ventilsteuerung
direkt von der Verbrennungskraftmaschine aus nicht
automatisch durchführbar ist, es sei denn, durch eine
zusätzliche, teuere Steuerung.
Es ist erwünscht, daß der Lader bereits im Teillast
betrieb arbeitet, wenn die arbeitsfähige Energie der
Abgasimpulse gegebenenfalls noch nicht ausreicht,
einen vollen Kolbenhub der Kolbenmaschine zu erreichen.
Denn ist ist besonders wichtig, daß der Abgasauslaß
der Kolbenmaschine möglichst frühzeitig schließt, um
einen Verlust arbeitsfähiger Energie zu verhindern.
Andererseits soll der Abgasauslaß nach dem Arbeitshub
und nach dem Rückhub des Arbeitskolbens möglichst lang
geöffnet bleiben, um die nach dem den Arbeitshub ver
ursachenden Abgasimpuls noch von der Verbrennungs
kraftmaschine ausgeschobenen Abgase möglichst unge
hindert, d.h. ohne Rückstau zu verursachen, ausströ
men lassen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah
ren der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß
mit möglichst geringem Aufwand eine Steuerung des
Kolbenladers über ein Ventil ab Abgasauslaß zur op
timalen Nutzung der Abgasimpulse der Verbrennungs
kraftmaschine ermöglicht wird, wobei das Verfahren
außerdem die Möglichkeit bieten soll, den Kolbenlader
automatisch an den bei der Verbrennungskraftmaschine
herrschenden Betriebszustand anzupassen. Eine weitere
Aufgabe ist es, eine Ventilanordnung zu schaffen, die
zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei dem eingangs
genannten Verfahren darin, daß die Bewegungsenergie
zur Ventilbetätigung der arbeitsfähigen Energie der
taktweise ankommenden Abgasimpulse entnommen wird.
Durch diese Verfahrensweise wird außer der die Abgase
von der Verbrennungskraftmaschine zur Kolbenmaschine
führenden Abgasleitung für die Ventilsteuerung keine
weitere Verbindung zwischen Verbrennungskraftmaschine
und Kolbenmaschine benötigt.
Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Ventilan
ordnung an einer durch die Abgasimpulse einer Verbren
nungskraftmaschine antreibbaren, mindestens einen durch
einen beweglichen Arbeitskolben begrenzten Entspannungs
raum aufweisenden Kolbenmaschine, wobei die dem Arbeits
kolben gegenüberliegende Begrenzung des Entspannungs
raums mit mindestens einem Abgaseinlaß und mindestens
einem durch einen im Takt der Abgasimpulse steuerbaren
Schließkörper der Ventilanordnung zumindest teilweise
zu öffnenden und zu schließenden Abgasauslaß versehen
ist. Um das erfindungsgemäße Verfahren auf eine derar
tige Ventilanordnung anwenden zu können, ist diese nach
einer sehr einfachen und praktisch erprobten Ausfüh
rungsform der Erfindung derart ausgestaltet, daß der
Schließkörper eine fest mit dem Arbeitskolben verbunde
ne Ausformung ist, die zumindest während eines Teils
der Kolbenbewegung in den Abgasauslaß hineinragt und
dessen Querschnitt zumindest teilweise ausfüllt.
Beim Eintreffen eines Abgasimpulses mit ausreichender
arbeitsfähiger Energie wird der Arbeitskolben von der
den Abgasauslaß aufweisenden Begrenzung des Entspan
nungsraums abgehoben, wodurch die am Arbeitskolben
befindliche Ausformung den gesamten Querschnitt des
Abgasauslasses freigibt, wenn die Kolbenbewegung
maximale Eindringtiefe der Ausformung in den Abgasaus
laß übersteigt. Das Abgas kann dann ungehindert abströ
men, bis die Ausformung beim Rückhub des Arbeitskolbens
wieder in den Abgasauslaß eindringt. Zeitlicher Verlauf
und arbeitsfähige Energie sind vom Betriebszustand der
das Abgas liefernden Verbrennungskraftmaschine abhängig.
Die beschriebene Ventilanordnung ermöglicht eine Steue
rung und Betätigung des Ventils am Abgasauslaß durch die
Abgasimpulse der Verbrennungskraftmaschine und in Ab
hängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand der Verbren
nungskraftmaschine., wobei der konstruktive Aufwand
sehr gering ist und sich auf die Anordnung einer Aus
formung am Arbeitskolben und einer Anpassung der Quer
schnitte dieser Ausformung des Abgasauslasses beschränkt.
Außer der Abgasleitung ist keine weitere Verbindung zur
Verbrennungskraftmaschine erforderlich, so daß eine
große Freizügigkeit hinsichtlich der räumlichen Anord
nung besteht. Weil zusätzliche bewegliche Teile nicht
erforderlich sind, ist eine hohe Zuverlässigkeit der
Ventilsteuerung sichergestellt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann sich bei
vollständig in den zur Aufnahme der Ausformung bestimm
ten Ventilabschnitt des Abgasauslasses eingeführter
Ausformung der Abstand zwischen dem Umfang der Ausfor
mung und der Begrenzung des Ventilabschnitts in Bewe
gungsrichtung des Arbeitskolbens verändern. Dadurch
kann der Abgasausströmquerschnitt in Abhängigkeit von
der Bewegung des Arbeitskolbens stetig oder stufenweise
verändert werden, um eine optimale Anpassung an die
jeweiligen Einsatzbedingungen zu erreichen. So kann
z.B. im unteren Wendepunkt des Arbeitskolbens, als wel
cher der Wendepunkt angenommen wird, in dem die Ausformung
voll in den Ventilabschnitt eingeführt ist, ein großer
Spaltquerschnitt zwischen Ausformung und Begrenzung des
Ventilabschnitts vorgesehen werden, um im Leerlauf der
Verbrennungskraftmaschine, in welchem kein Laderbetrieb
erforderlich ist, bzw. in den Wartepausen des Arbeits
kolbens das ungehinderte Abströmen des Abgases zu er
möglichen, während die mit steigender Belastung der Ver
brennungskraftmaschine zunehmende Abgasenergie den Ar
beitskolben aus dem unteren Wendepunkt bewegen und da
durch aufgrund der Querschnittsunterschiede den Spalt
querschnitt verringern wird, um die Abgasenergie optimal
für den Betrieb des Kolbenladers auszunützen, bis kurz
vor dem Erreichen des oberen Wendepunkts die Ausformung
den Ventilabschnitt verläßt und damit dessen vollen Quer
schnitt für das Ausströmen des entspannten Abgases frei
gibt.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform einer Ventil
anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen verfah
rens besteht darin, daß ein beweglicher Schließkörper
des Ventils durch den Arbeitskolben betätigbar ist. Beim
Eintreffen eines Abgasimpulses mit ausreichender arbeits
fähiger Energie wird der Arbeitskolben aus seiner Ruhe
stellung angehoben, in welcher er sich nahe der mit dem
Abgaseinlaß und dem Abgasauslaß versehenen Begrenzung
des Entspannungsraums befindet. Nach einem dem jeweili
gen Einsatzzweck anzupassenden Bewegungsgesetz wird die
Bewegung des Arbeitskolbens zur Betätigung des Ventils
eingesetzt; insbesondere kann das Ventil sofort geschlos
sen werden, wenn der Abgasimpuls den Arbeitskolben an
hebt, um die arbeitsfähige Energie optimal zur Bewegung
des Arbeitskolbens auszunützen.
Es kann dabei zwischen dem Schließkörper und dem Ar
beitskolben entweder eine im Betrieb unlösbare Verbin
dung oder eine lösbare Kupplungsverbindung bestehen,
wobei nach einer vorteilhaften Ausgestaltung diese
Kupplungsverbindung selbsttätig lösbar sein kann.
Dadurch kann die Übertragung der Kolbenbewegung auf
die Ventilbetätigung zeitweilig unterbunden und da
durch der zeitliche Druckverlauf im Zylinder des
Kolbenladers beeinflußt werden. Insbesondere kann
die für das Öffnen und/oder Schließen des Ventils am
Abgasauslaß benötigte Zeitspanne auf einen Bruchteil
des Arbeits- bzw. Rückhubs des Arbeitskolbens re
duziert werden, wodurch sich eine bessere Nutzung der
Arbeitsenergie der Abgasimpulse erreichen läßt. Aus
serdem kann über die Beeinflussung des Druckverlaufs
auch eine Rückwirkung auf den zeitlichen Verlauf der
Kolbenbewegung erreicht werden.
Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin,
daß ein den Schließkörper bewegendes Stellglied mit dem
Arbeitskolben über eine beim Erreichen einer Stell
kraftschwelle lösbare Kupplung verbunden und der
Schließkörper zwischen seine Öffnungs- und seine
Schließstellung definierenden Anschlägen bewegbar ist,
es kann aber auch nach einer anderen zweckmäßigen Aus
führungsform ein den Schließkörper bewegendes Stellglied
durch eine ortsfeste, beim Erreichen einer Stell
kraftschwelle lösbare Kupplung gehalten und über eine
ein Spiel in Hubrichtung aufweisende Mitnehmerverbindung
mit dem Arbeitskolben zur Verschiebung gegenüber der
ortsfesten Kupplung kuppelbar sein, wobei die beim Über
schreiten der Stellkraftschwelle lösbare Kupplung eine
Reibungskupplung sein kann.
Eine andere, sehr vorteilhafte Ausgestaltung besteht
darin, daß der Schließkörper im Arbeitskolben in des
sen Hubrichtung zwischen zwei Grenzstellungen frei
beweglich geführt ist, in deren oberer er vollstandig
in den Kolben eingetaucht ist und in deren unterer er
aus dem Kolben zur Schließung des Abgasauslasses heraus
ragt. Bei dieser Ausgestaltung kann der Schließkörper
seine Stellung relativ zum Arbeitskolben aufgrund
seiner Massenträgheit verändern oder beibehalten, so
daß sich ein sehr geringer konstruktiver Aufwand bei
sehr vorteilhaften Öffnungs- und Schließzeitpunkten
ergibt. Beginnt der Kolben seinen Arbeitshub, bleibt
der Schließkörper in seiner den Abgasauslaß sperren
den Stellung bis er relativ zum Arbeitskolben seine
untere Grenzstellung erreicht hat, was zweckmäßiger
weise erfolgt, kurz bevor der Arbeitskolben seinen
Arbeitshub beendet. Dadurch wird der Schließkörper in
Richtung auf seine obere Grenzstellung beschleunigt,
während der Arbeitskolben kurz darauf seinen Rückhub
durchführt. Dabei bewegt sich der Schließkörper zu
nächst noch in Richtung auf seine obere Grenzstellung.
Sobald er diese erreicht hat, wird er vom Arbeitskolben
in entgegengesetzter Richtung mitgenommen, wobei der
Schließkörper in den Arbeitskolben eingetaucht bleibt,
bis der Arbeitskolben seinen Rückhub beendet hat, so
daß während des gesamten Rückhubs des Kolbens der Abgas
auslaß geöffnet bleibt. Beendet der Arbeitskolben sei
nen Rückhub, bewegt sich der Schließkörper aufgrund
der Massenträgheit weiter, bis er den Abgasauslaß im
gewünschten Umfang verschließt.
Noch eine weitere zweckmäßige Ausführungsform besteht
darin, daß zwischen dem Schließkörper und dem Arbeits
kolben eine einseitig in Richtung auf die Schließstel
lung des Schließkörpers gerichtete Mitnehmerverbindung
besteht, daß der Schließkörper in seiner Schließstellung
durch eine selbsttätige Sperre verriegelbar und in seine
Öffnungsstellung vorgespannt ist, und daß die Sperre
durch den Arbeitskolben in der Endphase des durch den
Abgasimpuls verursachten Arbeitshubs lösbar ist.
Durch diese Konstruktion wird der Schließkörper während
des Arbeitshubs des Arbeitskolbens in seiner Schließ
stellung festgehalten, bis der Arbeitskolben selbst die
Sperre löst, worauf das Ventil unter dem Einfluß der
Vorspannung rasch seine voll geöffnete Stellung
einnimmt. Die Mitnehmerverbindung zwischen Arbeits
kolben und Schließkörper wird vorzugsweise so ausge
legt sein, daß erst bei Beendigung des Rückhubs das
Ventil wieder seine geschlossene Stellung einnimmt.
Eine andere zweckmäßige Ausgestaltung besteht bei
der einen Reibungsschluß zwischen Stellglied und
Arbeitskolben aufweisenden Ausführungsform darin,
daß zwischen Stellglied und Arbeitskolben ein Um
kehrmechanismus zur gegenläufigen Verbindung von
Stellglied und Arbeitskolben angeordnet ist. Dadurch
wird der Arbeitskolben bei Beginn seines Arbeitshubs
den Abgasauslaß schließen und bei Beginn des Rück
hubs den Abgasauslaß öffnen.
Noch eine andere zweckmäßige Ausbildung besteht da
rin, daß der Schließkörper den Abgasauslaß überdeckt
und durch eine Federanordnung in Richtung auf den dem
Abgasauslaß zugewandten Boden des Arbeitskolbens be
lastet ist. Bei dieser Ausbildung wird der den Ar
beitskolben zur Durchführung des Arbeitshubs bewegen
de Abgasimpuls den Schließkörper zunächst auf den
Abgasauslaß drücken und diesen dadurch verschließen,
wobei während des Arbeitshubs die Federspannung zu
nimmt, bis sie schließlich den Abgasdruck überwindet
und den Schließkörper vom Abgasauslaß abhebt. Dabei
kann die Federanordnung zwei einen Abstand in Hubrich
tung des Arbeitskolbens aufweisende Mitnehmer am Ar
beitskolben und am Schließkörper aufweisen, zwischen
denen ein Federelement angeordnet ist, um Kolben und
Schließkörper in ihre benachbarte Stellung zu bewegen.
Eine andere Variante kann darin bestehen, daß die
Federanordnung bei dem Abgasauslaß benachbarter
Endstellung des Arbeitskolbens unter Bildung eines
Auslaßspaltes den Schließkörper geringfügig vom Ab
gasauslaß abhebt, so daß die Abgasimpulse ohne
Betätigung des in Ruhestellung befindlichen Arbeits
kolbens über den Abgasauslaß abgeleitet werden kön
nen, wenn sie, insbesondere im Leerlaufbetrieb der
Verbrennungskraftmaschine, nur eine geringe arbeits
fähige Energie enthalten.
Wenn zwischen dem Schließkörper und dem Arbeitskol
ben eine im Betrieb unlösbare Verbindung besteht,
erweist es sich als sehr vorteilhaft, wenn dem Ar
beitskolben eine seinen Rückhub verzögernde Einrich
tung zugeordnet ist. Dadurch wird erreicht, daß der
Abgasauslaß relativ lang geöffnet bleibt, um dem
entspannten Abgas ein möglichst vollständiges Aus
strömen aus dem Zylinder der Kolbenmaschine zu ge
statten und dadurch die dem Rückhub des Kolbens nach
dem dabei erfolgenden Schließen des Abgasauslasses
durch die Verdichtung des im Zylinder verbleibenden
Abgases entgegenwirkende Kraft auf ein Minimum zu
reduzieren.
Die Rückhubverzögerung kann durch eine Einrichtung
erfolgen, welche den Kolben zeitweilig in dem vom Ab
gasauslaß entfernten Wendepunkt festhält, oder durch
eine Einrichtung, welche geeignet ist, die Geschwin
digkeit des Rückhubs des Arbeitskolbens im Vergleich
zur Geschwindigkeit des Arbeitshubs zu verzögern.
Eine zweckmäßige Ausführungsform einer solchen Ein
richtung kann aus einem in einem Zylinder beweglich
angeordneten, mit dem Arbeitskolben verbundenen Dämp
fungskolben bestehen, der im Zylinder eine in ihrem
Volumen veränderliche Dämpfungskammer begrenzt, die
mit einem sich während des Arbeitshubs öffnenden Rück
schlagventil mit großem Durchströmquerschnitt und
einer Drosselöffnung versehen ist. Beim Rückhub des
Arbeitskolbens schließt das Rückschlagventil und
die durch die Volumenänderung der Dämpfungskammer
verursachte Strömung erfolgt über die Drosselöffnung,
wodurch die Rückhubbewegung verzögert wird.
Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung kann
auf der von der Dämpfungskammer abgewandten Seite
des Dämpfungskolbens im Zylinder eine Kompressions
kammer angeordnet sein, deren Volumen sich während
des Arbeitshubs des Arbeitskolbens verringert. Durch
den sich während des Arbeitshubs in der Kompressions
kammer aufbauenden Druck wird die Rückstellkraft
für den Arbeitskolben gespeichert. Nach einer be
sonders vorteilhaften Ausgestaltung kann die Kompres
sionskammer über einen einstellbaren Druckregler mit
einem Druckspeicher verbunden sein, so daß die Mög
lichkeit besteht, die auf den Dämpfungskolben und
damit auf den Arbeitskolben einwirkende Rückstellkraft
einzustellen, z.B. in Abhängigkeit vom Betriebszustand
der das Abgas liefernden Verbrennungskraftmaschine.
Soll der Arbeitskolben nach dem Arbeitshub in dem vom
Abgasauslaß abgelegenen oberen Totpunkt festgehalten
werden, so ist nach einer Ausführungsform dem Arbeits
kolben in dem vom Abgasauslaß abgewandten Wendepunkt
eine lösbare Sperre zugeordnet. Dabei besteht eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung darin, daß der
Kolbenlader zwei zu gemeinsamer Bewegung unlösbar
miteinander verbundene, jeweils einen Entspannungsraum
begrenzende Arbeitskolben umfaßt, die alternierend
und gegenläufig mit Abgasimpulsen beaufschlagbar an
geordnet sind, und daß die dem jeweils einen Arbeits
kolben zugeordnete Sperre durch den den jeweils ande
ren Arbeitskolben beaufschlagenden Abgasimpuls lösbar
ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin,
daß die Sperre aus einer Federanordnung besteht, die
beiderseits einer labilen Mittelstellung zwei stabile
Endstellungen aufweist und die derart mit dem Arbeits
kolben verbunden ist, daß sie zugleich mit dem Arbeits
kolben eine ihrer beiden Endstellungen einnimmt.
Durch diese Ausführungsform, welche sich insbesondere
auch für die Variante mit zwei zu gemeinsamer Bewe
gung verbundene, alternierend beaufschlagte Arbeits
kolben eignet, wobei die Federanordnung beiden Arbeits
kolben gemeinsam zugeordnet ist, wird nach der Hälfte
des Arbeitshubs die labile Mittelstellung überschritten
und die in Richtung auf die stabilen Endstellungen wir
kende Kraft der Feder unterstützt die Kolbenbewegung
in der jeweils eingeschlagenen Richtung. Falls bei
Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine die ar
beitsfähige Energie des Abgasimpulses nicht ausreicht,
einen vollständigen Arbeitshub des Arbeitskolbens
durchzuführen, ist es bereits ausreichend, wenn der
Abgasimpuls den Arbeitskolben über die Hälfte des Kol
benhubs bewegt, weil dann die Federanordnung den Kolben
bis in seine Endstellung bewegt und den ihm zugeordne
ten Abgasauslaß bis zum Eintreffen des nächsten, ent
gegengesetzt gerichteten, auf den anderen Kolben ge
richteten Abgasimpuls geöffnet hält. Zugleich unter
stützt die Federanordnung das vollständige Ausschieben
des entspannten Abgases. Außerdem hält sie den Arbeits
kolben in seiner Endstellung fest, wenn Abgasimpulse
mit nur geringer arbeitsfähiger Energie auftreten.
Noch eine andere zweckmäßige Ausführungsform der Ven
tilanordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht
darin, daß ein den Abgasauslaß überdeckender Schließ
körper in Hubrichtung des Arbeitskolbens zwischen
einer den Abgasauslaß abdeckenden Schließstellung und
einer vom Abgasauslaß entfernten Öffnungsstellung be
weglich geführt und durch eine Feder in Richtung auf
seine Öffnungsstellung belastet ist und daß der Schließ
körper in der dem Abgasauslaß benachbarten Ruhestellung
des Arbeitskolbens durch Anlage am Arbeitskolben soweit
gegen die dem Arbeitskolben gegenüberliegende Begren
zung des Entspannungsraums gedrückt wird, daß ein ge
ringer Spalt zwischen dem Schließkörper und dieser Be
grenzung verbleibt.
Durch diesen geringen Spalt kann das zwischen den Ab
gasimpulsen während der gewollten Wartestellung des
Arbeitskolbens von der Verbrennungskraftmaschine noch
ausgeschobene Abgas und das im Leerlaufbetrieb anfallen
de Abgas entweichen. Steigt der Abgasdruck, steigt auch
die Geschwindigkeit der Strömung durch den Spalt, wo
raus sich nach Bernoulli ein Druckabfall ergibt. Durch
den sinkenden Druck unter dem Schließkörper wird die
ser gegen die Begrenzung des Entspannungsraums gezogen
und schließt den Abgasauslaß, so daß die arbeitsfähige
Energie des Abgasimpulses optimal zur Bewegung des Ar
beitskolbens genutzt werden kann. Der Druck im Entspan
nungsraum hält den Schließkörper solang geschlossen,
bis das Abgas soweit entspannt ist, daß die Feder den
Abgasdruck im Entspannungsraum überwindet oder der
Schließkörper vom Arbeitskolben mitgenommen wird. Ge
gen Ende des Rückhubs drückt der Arbeitskolben den
Schließkörper wieder in die Ausgangsstellung zurück,
in der der Spalt zwischen Schließkörper und Begrenzung
des Entspannungsraums geöffnet ist.
Noch eine andere Ausgestaltung der Ventilanordnung zur
Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß dem
Schließkörper ein Betätigungsmechanismus zugeordnet
ist, der als Antriebselement ein von den Abgasimpulsen
beaufschlagbares Verdrängungselement umfaßt, wobei die
Anordnung derart gewählt ist, daß der Schließkörper bei
einer Druckbeaufschlagung des Verdrängungselements in
seine geschlossene Position überführbar ist. Dabei kann
der Betätigungsmechanismus mit einem dem Abgasimpuls
entgegengesetzt gerichteten Widerstand, z.B. in Form
einer Rückstelleinrichtung versehen sein. Damit kann
die Ansprechschwelle derart bemessen werden, daß das
Ventil im Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors geöff
net bleibt.
Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltung be
steht darin, daß das Antriebselement vor dem Abgaseinlaß
des Entspannungsraums mit einer zum Entspannungsraum
führenden Abgasleitung in Verbindung steht. Dadurch wird
dem Abgasimpuls die zur Ventilbetätigung erforderliche
Menge an arbeitsfähiger Energie entnommen, bevor der
Abgasimpuls den Entspannungsraum erreicht, um dort ge
gebenenfalls den Arbeitskolben zu betätigen, so daß das
Ventil bei Beginn der Kolbenbewegung geschlossen ist
und somit die Verlustmenge an Abgas gering gehalten
wird.
Das Verdrängungselement kann vorzugsweise als Kolben oder
Membran ausgebildet sein.
Wenn die Bewegung des Schließkörpers durch Übertragung
der Bewegung des Arbeitskolbens oder eines Verdrängungs
elements erfolgt, kann der Schließkörper als Drehklappe
ausgebildet sein, die um eine den Abgasauslaß querende
Achse zwischen einer Schließ- und einer Öffnungsstellung
verschwenkbar ist, wodurch sich die zu bewegende träge
Masse besonders gering halten läßt.
Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeich
nung dargestellten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäs
ser Ventilanordnungen an als Lader dienenden Kolben
maschinen wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch den
Zylinder einer als Lader dienenden Kolben
maschine, wobei sich der Arbeitskolben im
unteren Wendepunkt befindet,
Fig. 2 einen der Fig. 1 ähnlichen Axialschnitt,wo
bei sich der Arbeitskolben im oberen Wendepunkt
befindet,
Fig. 3 einen der Fig. 1 ähnlichen Axialschnitt durch
eine etwas geänderte Ausführungsform,
Fig. 4 einen der Fig. 3 ähnlichen Axialschnitt durch
eine weitere Ausführungsform,
Fig. 5a bis 5k Varianten der Querschnittsgestaltung
im Ventilabschnitt des Abgasauslasses,
Fig. 6 einen Axialschnitt durch eine weitere Variante
der Ventilanordnung mit einer Drehklappe als
Schließkörper und einer Einrichtung zur Rück
hubverzögerung, wobei der Arbeitskolben etwa
die Hälfte seines Arbeitshubs zurückgelegt hat,
Fig. 7 einen Axialschnitt nach dem Ende des Kolbenhubs
des Arbeitskolbens mit einer Variante der Ein
richtung zur Rückhubverzögerung mit einem
zweiten Zylinder,
Fig. 8 einen Axialschnitt durch eine etwas geänderte
Ausführungsform mit einer Drehklappe als
Schließkörper,
Fig. 9 die in Fig. 8 gezeigte Ausführungsform vor
dem Beginn des Rückhubs des Arbeitskolbens,
Fig. 10 einen Axialschnitt bei einer weiteren Ausfüh
rungsform mit tellerförmigem Schließkörper
während des Arbeitshubs,
Fig. 11 einen Axialschnitt durch die Ausführungsform
nach Fig. 10 während des Rückhubs des Arbeits
kolbens,
Fig. 12 einen Axialschnitt durch noch eine andere
Ausführungsform mit tellerförmigem Schließ
körper während des Rückhubs des Arbeitskolbens,
Fig. 13 einen Axialschnitt durch eine weitere Ausfüh
rungsform in Ruhestellung,
Fig. 14 einen Axialschnitt durch eine weitere Ausfüh
rungsform während des Arbeitshubs des Arbeits
kolbens,
Fig. 15 einen Axialschnitt durch eine Variante der in
Fig. 14 gezeigten Ausführungsform ebenfalls
während des Arbeitshubs des Arbeitskolbens,
Fig. 16 einen Axialschnitt durch noch eine weitere
Ausführungsform in Ruhestellung,
Fig. 17 einen Axialschnitt durch eine Ausführungsform
nach Fig. 16 zu Beginn des Arbeitshubs des
Arbeitskolbens,
Fig. 18 einen der Fig. 16 ähnlichen Axialschnitt vor
Beendigung des Arbeitshubs des Arbeitskolbens,
Fig. 19 einen Axialschnitt durch eine andere Ausfüh
rungsform einer Ventilanordnung in Ruhestellung
des Arbeitskolbens,
Fig. 20 einen Schnitt nach der Linie XX-XX in Fig. 19,
Fig. 21 einen der Fig. 19 ähnlichen Axialschnitt nach
Vollendung des Arbeitshubs des Arbeitskolbens
und
Fig. 22 einen Schnitt durch noch eine weitere Ventilan
ordnung,
Fig. 23 einen Axialschnitt durch eine Variante der in
den Fig. 10 und 11 gezeigten Ausführungsform
während des Arbeitshubs des Arbeitskolbens und
Fig. 24 einen Axialschnitt durch die in Fig. 23 gezeig
te Variante bei Beginn des Rückhubs des
Arbeitskolbens.
Ein Zylinder einer als abgasgetriebener Lader einer
Verbrennungskraftmaschine einzusetzenden Kolbenma
schine ist mit 10 bezeichnet und enthält einen fla
chen Arbeitskolben 12, der mit einer Kolbenstange 14
verbunden ist, die aus dem Zylinder 10 herausragt und
außerhalb des Zylinders 10 in einer Führung 16 linear
beweglich geführt ist. Der Zylinder 10 wird von einer
oberen Stirnfläche 18 begrenzt, durch welche die Kol
benstange 14 nach außen geführt ist, und durch eine
untere Stirnfläche 20.
Die obere Stirnfläche ist mit einem Ladelufteinlaß
ventil 22 und einem Ladeluftauslaßventil 24 versehen,
die als Rückschlagventile ausgeführt sind.
Die untere Stirnfläche 20 ist mit einem Abgaseinlaß
26 und einem Abgasauslaß 28 versehen. Der Abgasaus
laß 28 ist in Bezug auf die Zylinderachse konzentrisch
angeordnet, der Abgaseinlaß 26, der über eine Leitung
30 mit Abgasimpulsen von einer nicht dargestellten
Verbrennungskraftmaschine versorgt werden kann, be
findet sich seitlich vom Abgasauslaß.
Eine Rückstelleinrichtung, welche schematisch in Form
einer auf die Kolbenstange 14 einwirkenden Druckfeder
32 dargestellt ist, ist bestrebt, den Arbeitskolben
12 in seinen unteren, dem Abgaseinlaß 26 und dem Ab
gasauslaß 28 benachbarten Wendepunkt zu überführen.
Trifft in dieser in Fig. 1 gezeigten Stellung des Ar
beitskolbens 12 über die Leitung 30 ein Abgasimpuls
am Abgaseinlaß 26 ein, der über ausreichende arbeits
fähige Energie verfügt, so wird der Arbeitskolben 12
in seinen in Fig. 2 gezeigten oberen Wendepunkt bewegt,
sofern die arbeitsfähige Energie des Abgasimpulses
durch Entspannung des Abgases im Zylinder 10 nutzbar
gemacht werden kann. Es muß also verhindert werden,
daß das Abgas ungenützt aus dem Abgasauslaß 28 ab
fließen kann.
Zu diesem Zweck ist an der der unteren Stirnfläche
20 des Zylinders 10 zugewandten Seite des Arbeitskol
bens 12 dieser mit einer Ausformung 34 versehen, die
in der unteren Endstellung des Arbeitskolbens 12 in
den Abgasauslaß 28 hineinragt. Im Bereich des Abgas
auslasses 28 schließt sich an dessen Mündung 38 in
den Innenraum 40 des Zylinders 10 ein in Richtung des
Kolbenhubs verlaufender Ventilabschnitt 42 an, in den
die Ausformung 34 auf eine gewisse Länge eindringt,
wenn sich der Arbeitskolben 12 im unteren Wendepunkt
befindet.
Dadurch wird erreicht, daß die Ausformung 34 den Quer
schnitt des Ventilabschnitts 42 bzw. des Abgasauslas
ses 28 so lange zumindest annähernd schließt, bis
der Arbeitskolben 12 einen wesentlichen Teil seines
vom unteren zum oberen Wendepunkt führenden Arbeits
hubs durchgeführt hat.
In den Fig. 1 und 2 ist der Ventilabschnitt 42 von einer
zylindrischen Wandung 44 begrenzt und die Ausformung 34
am Arbeitskolben 12 ist ebenfalls zylindrisch ausgebil
det, jedoch mit etwas kleinerem Durchmesser als dem der
Wandung 44, so daß dann, wenn sich die Ausformung 34
ganz oder teilweise im Bereich des Ventilabschnitts 42
befindet, zwischen der Wandung 44 und dem zylindrischen
Umfang der Ausformung 34 ein ringförmiger Spalt 46 ge
öffnet bleibt. Der Spalt 46 ist so bemessen, daß das zwi
schen den aufeinanderfolgenden Abgasimpulsen während
der gewollten Wartestellung des Arbeitskolbens 12 von
der Verbrennungskraftmaschine noch ausgeschobene oder
bei Leerlauf anfallende Abgas ohne Betätigung des Ar
beitskolbens 12 durch den Spalt 46 des Abgasauslasses
28 entweichen kann.
Damit der dem Abgaseinlaß 26 und dem Abgasauslaß 28 zu
gewandte Kolbenboden 48 das Überströmen des Abgases vom
Abgaseinlaß 26 zum Abgasauslaß 28 während des Leerlauf
betriebs bzw. während der gewollten Wartestellung des
Arbeitskolbens 12 nicht behindert, kann eine
geeignete Profilierung im Kolbenboden 48 oder der
unteren Stirnfläche 20 vorgesehen sein. Die Fig. 3
zeigt zu diesem Zweck eine in der unteren Stirnflä
che 20 ausgebildete und zur Zylinderachse konzen
trisch angeordnete Vertiefung 50, in welche der Ab
gaseinlaß 26 und der Abgasauslaß 28 münden.
Der Spalt 46 ist von Bedeutung, wenn der Arbeitskol
ben 12 sich im unteren Wendepunkt befindet. Sobald
die arbeitsfähige Energie des eintreffenden Abgas
impulses genützt werden soll, um den Arbeitskolben 12
gegen den oberen Wendepunkt zu bewegen, soll die
se Energie möglichst optimal nutzbar gemacht werden.
Es ist also erwünscht, daß sich der Abgasauslaß 28
möglichst vollständig schließt, sobald sich der
Arbeitskolben 12 aus seiner unteren Endstellung be
wegt. Die Fig. 4 zeigt eine Ausbildung der Ausfor
mung 34 und des Ventilabschnitts 42, die dieser
Forderung entspricht. Die Mündung 38 des Ventilab
schnitts 42 ist als Einschnürung ausgebildet, die
an den Durchmesser der zylindrischen Ausformung 34
angepaßt ist, um dadurch den Durchfluß durch den
Abgasauslaß 28 weitgehend unterbinden zu konnen,
wenn die Ausformung 34 in den eingeschnürten Bereich
der Mündung 38 eingreift. Jedoch ist die Ausformung
34 mit einer ringförmigen Nut 52 versehen, deren
axiale Ausdehnung größer ist als die der einge
schnürten Mündung 38 und die in axialer Richtung
mittig zur eingeschnürten Mündung 38 ausgerichtet
ist, wenn sich der Arbeitskolben 12 im unteren Wende
punkt befindet, so daß die Nut 52 eine Umströmung
der Einschnürung ermöglicht. In Durchströmrichtung
folgt auf die eingeschnürte Mündung 38 eine Quer
schnittserweiterung 54 des Ventilabschnitts 42,
so daß ein den ungehinderten Abgasabfluß ermögli
chender Ringspalt 46 zwischen dieser Querschnitts
erweiterung 54 und der zylindrischen Außenfläche
des sich an der vom Arbeitskolben 12 abgelegenen
Seite der Nut 52 erstreckenden Abschnitts 34′ der
Ausformung 34 befindet.
Wird der Arbeitskolben 12 gegen den oberen Wendepunkt
bewegt, dringt dieser Abschnitt 34′ in den einge
schnürten Bereich der Mündung 38 ein und verhindert
solang das Abströmen von Abgas aus dem Zylinder 10,
bis die Ausformung 34 den Ventilabschnitt 42 völlig
verlassen hat. Diese Öffnung des Abgasauslasses 28 er
folgt bereits vor Erreichen des oberen Wendepunkts, so
daß auch beim Rückhub des Arbeitskolbens 12 der Abgas
auslaß zunächst geöffnet bleibt, um das Abströmen des
entspannten Abgases zu ermöglichen.
Die Fig. 5a bis 5k zeigen, daß mannigfaltige Möglich
keiten bestehen, um durch entsprechende Profilierungen
des Ventilabschnitts 42 und/oder der Ausformung 34
- auch unter Berücksichtigung der Bewegung des Arbeits
kolbens - je nach den betrieblichen Erfordernissen
unterschiedliche Strömungsbedingungen im Bereich des
Abgasauslasses 28 erreicht werden können. Insbesondere
läßt sich durch Veränderung des Spaltquerschnitts zwi
schen der in den Ventilabschnitt eintauchenden Ausfor
mung 34 und der Wandung des Ventilabschnitts 42 der
Durchflußbeiwert beeinflussen.
Beim Beispiel nach den Fig. 6 und 7 wird der Ventilab
schnitt 42 von einer eine kreisscheibenförmige Ventil
klappe 43 tragenden Drehachse 41 diametral durchquert.
Die Ventilklappe 43 ist über eine gelenkig angeschlos
sene Stellstange 45 mit dem Arbeitskolben 12 verbunden,
so daß sie verschwenkt wird, sobald sich der Arbeitskol
ben im Zylinder 10 auf- und abbewegt.
Die Ventilklappe 43 ist dabei derart angeordnet, daß
sie bezogen auf die in Fig. 6 gezeigte Anordnung, bei
welcher die Stellstange 45 rechts von der Drehachse 41
an der Ventilklappe 43 angreift, in der Ruhestellung
des Arbeitskolbens 12 leicht von rechts nach links an
steigt, wobei also die mit der Ventilklappe 43 verbun
dene Stellstange 45 ihre tiefste Stellung
einnimmt. In dieser Stellung ist der Abgasauslaß 28
so weit geöffnet, daß das einen geringen Gehalt an ar
beitsfähiger Energie aufweisende Abgas ohne Betätigung
des Arbeitskolbens 12 entweichen kann.
Nimmt die arbeitsfähige Energie der Abgasimpulse zu,
wird der Arbeitskolben aus dem unteren Wendepunkt nach
oben bewegt, wodurch die Stellstange 45 die Ventil
klappe 43 in Fig. 6 entgegen dem Uhrzeigersinn ver
schwenkt, so daß sie den Querschnitt des Abgasauslas
ses 28 zunächst verengt, wodurch die Abgasenergie
weitgehend zur Bewegung des Arbeitskolbens 12 nutzbar
gemacht werden kann. Während der Fortsetzung des Ar
beitshubs des Arbeitskolbens 12 öffnet sich die Ven
tilklappe 43 allmählich wieder, bis sie ihre volle
Öffnungsstellung erreicht, wenn sie der Arbeitskolben
12 im oberen Wendepunkt befindet, so daß das entspannte
Abgas durch den Abgasauslaß 28 ungehindert abströmen
kann. Beim Rückhub des Arbeitskolbens 12 schließt sich
die Ventilklappe 43 allmählich wieder, durchläuft ihre
Schließstellung und ist wieder geöffnet, wenn der
Arbeitskolben 12 seinen unteren Wendepunkt erreicht.
Besteht, wie bei soeben beschriebenen Beispiel eine
nicht lösbare Verbindung zwischen Arbeitskolben 12
und dem Schließkörper des Ventils, hier der Ventil
klappe 43, so ist es wünschenswert, den Rückhub des
Arbeitskolbens 12 zu verzögern, um den Abgasauslaß 28
möglichst lang für das Ausströmen des entspannten
Abgases geöffnet zu halten. Dabei kann man entweder
die Kolbengeschwindigkeit während des Rückhubs ver
langsamen, oder man kann den Arbeitskolben nach dem
Erreichen des oberen Wendepunktes für eine gewisse
Zeitspanne festhalten, bevor man den Rückhub durch
führt.
Die Fig. 6 zeigt eine Konstruktion, welche die Ge
schwindigkeit des Rückhubs des Arbeitskolbens 12
reduziert. Dabei ist mit der Kolbenstange 14 ein
Dämpfungskolben 60 verbunden, der in einem Zylinder
62 beweglich angeordnet ist und in diesem Zylinder
62 eine in ihrem Volumen durch die Bewegung des
Dämpfungskolbens 60 veränderbare Dämpfungskammer
64 begrenzt. Die Anordnung ist so gewählt, daß
sich das Volumen der Dämpfungskammer 64 vergrößert,
wenn der Arbeitskolben 12 seinen Arbeitshub ausführt.
In der Wandung des Zylinders 62 ist ein Rückschlag
ventil 66 mit relativ großem Durchflußquerschnitt
angeordnet, welches ein ungehindertes Einströmen
eines Strömungsmittels während des Arbeitshubs ge
stattet, sich aber bei der rückläufigen Kolbenbe
wegung schließt. Parallel zu diesem Rückschlagventil
66 ist eine Drosselöffnung 68 angebracht. Da beim
Rückhub des Arbeitskolbens 12 das in der Dämpfungs
kammer 64 befindliche Strömungsmittel über die
Drosselöffnung ausströmen muß, wird der Rückhub
nach Maßgabe des Drosselquerschnitts verlangsamt.
Auf der von der Dämpfungskammer 64 abgewandten Seite
des Dämpfungskolbens 60 kann im Zylinder 62 eine
Kompressionskammer 70 vorgesehen sein, die zur Er
zeugung der Rückstellkraft für den Arbeitskolben 12
dient. Während des Arbeitshubs des Arbeitskolbens 12
wird ein in der Kompressionskammer 70 befindliches
gasförmiges Medium komprimiert, wodurch auf den
Dämpfungskolben 60 ein Druck ausgeübt wird, der
bestrebt ist, den Arbeitskolben 12 wieder in seinen
unteren Wendepunkt zurückzuführen.
Die Kompressionskammer 70 kann über eine Druckregel
vorrichtung 72 mit einem Druckspeicher 74 verbunden
sein, wodurch sich der Druck in der Kompressions
kammer 70 nach den jeweiligen Betriebsverhältnissen
einstellen läßt.
Eine andere Lösung der Rückhubverzögerung zeigt die
Fig. 7, die koaxial zum Zylinder 10 einen zweiten
Zylinder 110 der als Lader dienenden Kolbenmaschine
zeigt. In jedem Zylinder 10 und 110 ist jeweils ein
Arbeitskolben 12 bzw. 112 angeordnet, der mit einer
Ventilklappe 43 bzw. 143 verbunden ist. Beide Ar
beitskolben 12 und 112 sind durch eine gemeinsame
Kolbenstange 14 miteinander unlösbar verbunden. Die
Funktionsweise beider Zylinder 10 und 110 entspricht
der des vorher beschriebenen Beispiels und wird deshalb
nicht weiter erläutert. Anzumerken ist jedoch, daß
die Abgaseinlässe 26 bzw. 126 derart mit der Ver
brennungskraftmaschine verbunden sind, daß die von
ihr ankommenden Abgasimpulse alternierend beide Ar
beitskolben 12 und 112 beaufschlagen.
Eine insgesamt mit 80 bezeichnete Federanordnung weist
eine Druckfeder 82 auf, die auf einer aus zwei teleskop
artig gegeneinander beweglichen Elementen bestehenden
Federführung 84 sitzt, die in einer die Achse der Zylin
der 10 und 110 enthaltenden Ebene um eine diese Ebene
rechtwinklig schneidende Achse 86 verschwenkbar mit dem
ein erstes Widerlager 87 tragenden einen Element gelagert
und mit dem anderen, ein Widerlager 88 tragenden Element
mit der Kolbenstange 14 derart verbunden ist, daß die
Federführung 84 aufgrund der Kolbenbewegung einen Sektor
bestreicht, dessen Winkelhalbierende die Achse der bei
den Zylinder 10 und 110 rechtwinklig schneidet, so daß
also die Federführung 84 rechtwinklig zur Zylinderachse
verläuft, wenn die Kolben 12 und 112 die Hälfte ihres
Hubs zurückgelegt haben. Die zwischen den Widerlagern
87 und 88 eingespannte Druckfeder 82 ist somit bei
halbem Kolbenhub auf ihre geringste Länge zusammenge
drückt und nimmt dann eine labile Mittelstellung ein.
Sobald die Kolbenbewegung diese labile Mittelstellung
in der einen oder anderen Richtung überschreitet, un
terstützt die Kraft der Druckfeder 82 die jeweilige
Kolbenbewegung und drückt die Kolben 12 und 112 gegen
den jeweils zu erreichenden Wendepunkt.
Die arbeitsfähige Energie eines beispielsweise den
Arbeitskolben 12 beaufschlagenden Abgasimpulses muß
zur Durchführung eines Arbeitshubs bis zur halben
Hublänge die Kraft der Druckfeder 82 überwinden.
Erreicht der Arbeitskolben 12 diese Position und
überschreitet er sie geringfügig, wird die weitere
Kolbenbewegung von der Feder 82 unterstützt und der
Arbeitskolben 12 in seinen oberen Wendepunkt gedrückt,
wodurch zugleich der Kolben 112 in seinen unteren
Totpunkt zurückgeführt wird.
Unter der Wirkung der Druckfeder 82 verbleibt der
Arbeitskolben 12 im oberen Wendepunkt, weil die
Federanordnung 80 sich in einer stabilen Endstel
lung befindet und ihn festhält. Der Abgasauslaß
28 bleibt geöffnet und das entspannte Abgas kann
ungehindert ausströmen.
Der nächste Abgasimpuls beaufschlagt den Arbeits
kolben 112, wodurch gegebenenfalls die sperrende
Kraft der Druckfeder 84 überwunden und dadurch der
Arbeitskolben 12 in seinen unteren Wendepunkt zurück
geführt wird, während anschließend der Arbeitskol
ben 112 in seinem oberen Wendepunkt festgehalten
wird und der Zyklus sich wiederholt, solange die
arbeitsfähige Energie der Abgasimpulse in der Lage
ist, eine Kolbenbewegung hervorzurufen.
Um die Kraft der Druckfeder 82 einzustellen, ist
vorzugsweise das Widerlager 88 auf der Federführung
84 verstellbar.
Bei der Konstruktion nach den Fig. 8 und 9 besteht
keine feste Verbindung zwischen dem Arbeitskolben
212 und der Ventilklappe 43, vielmehr ist die Stell
stange 45 mit einer inneren Kolbenstange 247 verbun
den, die unter Reibungsschluß in Längsrichtung in
der hohlen, mit dem Arbeitskolben 212 verbundenen
Kolbenstange 214 geführt ist. Der Ventilklappe 43
ist im Ventilabschnitt 42 des Abgasauslasses 28
ein Anschlag 249 zugeordnet, der die Ventilklappe
53 in ihrer Schließstellung festhält, wenn sie bei
einem Arbeitshub des Arbeitskolbens 212 durch die
sich nach oben bewegende Stellstange 45 im Uhrzei
gersinn verschwenkt wird.
In Fig. 8 hat sich der Arbeitskolben 212 bereits et
was aus seinem unteren Wendepunkt nach oben bewegt
und dabei zunächst die innere Kolbenstange 247 durch
Reibungsschluß mit nach oben bewegt, so daß die Ven
tilklappe 43 geschlossen wurde. Sobald die Ventilklap
pe 43 ihre Schließstellung einnimmt, kann die innere
Kolbenstange 247 nicht mehr an der nach oben gerich
teten Kolbenbewegung teilnehmen, es findet ein Schlupf
zwischen der inneren Kolbenstange 247 und der äußeren
Kolbenstange 214 statt, der anhält, bis der Arbeitskol
ben 212 den oberen Wendepunkt seiner Bewegung erreicht,
der bei hoher Abgasenergie mit dem kontruktiv bedingten
oberen Endpunkt der Kolbenbewegung zusammenfällt. Die
sen oberen Endpunkt wird der Arbeitskolben umso leich
ter erreichen, als während des Arbeitshubs mit Ausnah
me der Anfangsphase, welche zum Schließen des Abgas
auslasses 28 durch die Ventilklappe 43 benötigt wird,
der Abgasauslaß 28 geschlossen bleibt.
Sobald der Rückhub des Arbeitskolbens 212 einsetzt,
wird durch die bestehende Reibungsverbindung die inne
re Kolbenstange 247 soweit abwärts bewegt, daß sich die
Ventilklappe 43 in die voll geöffnete, in Fig. 9 gezeig
te Stellung bewegt. In dieser Stellung bleibt die Ven
tilklappe 43 nicht nur bis zur Vollendung des Rückhubs
des Arbeitskolbens 212, sondern auch während der Ruhe
stellung des Arbeitskolbens im unteren Wendepunkt, bis
zu Beginn eines neuen Arbeitshubs die Ventilklappe 43
wieder geschlossen wird.
Die Fig. 10 und 11 zeigen eine ähnliche Konstruktion,
wobei zur Ventilbetätigung wieder eine in der hohlen
Kolbenstange 314 bewegliche Stellstange 345 benutzt
wird, die jedoch mit einem tellerförmigen Schließkörper
343 fest verbunden ist und deren freie Beweglichkeit
gegenüber der hohlen Kolbenstange 314 nur durch zwei
Anschläge begrenzt wird, deren einer der Schließkörper
343 selbst ist und deren anderer durch einen Bund 351
auf der Stellstange 345 gebildet wird. Zwischen diesem
Bund 351 und dem Schließkörper 343 ragt ein Mitnehmer
353 des Arbeitskolbens 312 bzw. der hohlen Kolbenstange
314 in den Bewegungsbereich der beiden Anschläge 343
und 351. Die Stellstange 345 ist nach oben aus der hoh
len Kolbenstange 314 herausgeführt und unter Reibungs
schluß durch einen ortsfesten Bremsring 355 geführt.
Der Schließkörper 343 deckt in seiner Schließstellung
(Fig. 10) den Abgasauslaß 28 im Bereich einer in der
unteren Stirnfläche 20 des Zylinders 10 vorgesehenen
Mulde 50 ab, wobei eine Vorkehrung getroffen ist, daß
Abgasimpulse mit geringer arbeitsfähiger Energie in
den Abgasauslaß 28 eintreten können.
Trifft ein Abgasimpuls mit ausreichend großer arbeits
fähiger Energie ein, wird der Arbeitskolben 312 nach
oben bewegt, wobei zunächst der Schließkörper 343 unter
dem Einfluß des Bremsrings 355 in seiner Schließstel
lung festgehalten wird. Erst wenn der Mitnehmer 353
den Bund 351 erfaßt, was bei Annäherung des Arbeits
kolbens 312 an seinen oberen Wendepunkt der Fall ist,
wird der Schließkörper 353 in seine geöffnete Stellung
angehoben. Er wird vom Arbeitskolben 312 mitgezogen,
bis dieser den oberen Wendepunkt seiner Bewegung er
reicht. Zu Beginn des Rückhubs wird die Stellstange
345 durch den Bremsring 355 festgehalten, bis der
Mitnehmer 353 auf den Schließkörper 343 auftrifft und
diesen bis in seine geschlossene Stellung mitzieht,
wie aus Fig. 11 ersichtlich ist.
Bei der in Fig. 12 dargestellten Variante ist mit
einem tellerförmigen Schließkörper 443 eine Stell
stange 445 fest verbunden, die durch eine hohle
Kolbenstange 414 des Arbeitskolbens 412 geführt ist.
Zwischen der Stellstange 445 und der Innenfläche
der hohlen Kolbenstange 414 sind Reibräder 457
angeordnet, welches die Bewegung der Kolbenstange
414 auf die Stellstange 445 übertragen kann, sofern
diese nicht durch einen Widerstand an einer Bewegung
gehindert ist. Ein solcher Widerstand tritt auf, wenn
der Schließkörper 443 in seiner Schließstellung auf
dem Abgasauslaß 28 aufsitzt, oder wenn er am Kolben
boden 448 oder einem anderen, ihm am Arbeitskolben 412
zugeordneten Anschlag anschlägt.
Beginnt der Arbeitskolben 412 seinen Arbeitshub, werden
die Reibräder 457 bestrebt sein, den Schließkörper nach
unten in seine geschlossene Stellung zu drücken. In
dieser geschlossenen Stellung bleibt der Schließkörper
443 bis zum oberen Wendepunkt der Kolbenbewegung. Sobald
sich der Arbeitskolben 412 abwärts bewegt, wird die
Stellstange 445 aufwärts bewegt und öffnet dadurch
den Abgasauslaß 28, weil sich der Schließkörper bis
zum Anschlag am Arbeitskolben 412 hebt. Im weiteren
Verlauf der Kolbenbewegung zum unteren Wendepunkt wird
der Schließkörper 443 wieder nach unten geführt, wobei
die Anordnung vorzugsweise so getroffen ist, daß der
Schließkörper 443 den Abgasauslaß noch nicht voll
ständig abdeckt, wenn der Arbeitskolben im unteren Wen
depunkt angelangt ist. Erst zu Beginn des Arbeitshubs
wird der Abgasauslaß 28 vollständig in der beschriebe
nen Weise geschlossen.
Die Funktionsweise dieser in Fig. 12 gezeigten Variante
ist mit der des in den Fig. 8 und 9 gezeigten Ausfüh
rungsbeispiels insofern vergleichbar, als in beiden
Fällen die Ventilumsteuerung jeweils mit dem Beginn
eines Hubs zusammenfällt, wodurch sich eine "unsymme
trische" Öffnungscharakteristik des Ventils bezogen
auf den Wendepunkt des Arbeitskolbens 212 bzw. 412
nach seinem Arbeitshub ergibt. Da in der Bewegungs
übertragung zwischen Arbeitskolben 212 bzw. 412 und
Schließkörper 43 bzw. 443 des Ventils ein Schlupf vor
gesehen ist, wird erreicht, daß das Ventil seinen
vollen Ventilhub sowohl beim Schließen als auch beim
Öffnen jeweils bereits kurz nach Beginn des entspre
chenden Hubs des Arbeitskolbens 212 bzw. 412 durchge
führt hat und die für diesen Hub optimale Stellung
einnimmt.
Auch bei der in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform
ergibt sich eine ähnliche "unsymmetrische" Öffnungs
charakteristik. Dabei ist im Arbeitskolben 512 eine
zur Achse des Zylinders 10 koaxial angeordnete Kammer
559 ausgebildet, die eine im Boden 548 des Arbeitskol
bens 512 angeordnete Öffnung 561 mit geringerem Quer
schnitt als dem der Kammer 559 aufweist. Ein Ventil
schließkörper 543 mit einem der Öffnung 561 angepaßten
Querschnitt ist derart in der Kammer 559 angeordnet,
daß er durch einen dem inneren Querschnitt der Kammer
559 angepaßten Bund 563 an seinem in Bezug auf die
Kammer 559 inneren Ende in axialer Richtung in der
Kammer 559 geführt ist. Wenn der Schließkörper 543
vollständig in die Kammer 559 eingeschoben ist, wobei
sein äußeres Ende noch im Bereich der Öffnung 561 ge
führt ist, besteht zwischen dem Bund 563 und einer
durch die Querschnittserweiterung der Kammer 559 gegen
über der Öffnung 561 gebildeten, diesem Bund 563 zuge
wandten Anschlagschulter 565 ein axialer Abstand,
der etwas geringer ist, als die Hublänge des Arbeits
kolbens 512. Der Abstand entspricht der Weglänge, die
der Arbeitskolben 512 zurücklegt, bevor gegen Ende des
Arbeitshubs der Abgasauslaß 28 geöffnet wird.
Befindet sich, wie in Fig. 13 dargestellt, der Arbeits
kolben 512 in der als unterer Wendepunkt bezeich
neten Ruhestellung, liegt der Schließkörper 543 am
Grund der Mulde 50 auf sich etwas über den Grund der
Mulde 50 erhebenden Anschlägen 567 auf, welche somit
einen Spalt freihalten, durch den beim Leerlaufbetrieb
der Verbrennungskraftmaschine das Abgas entweichen kann.
Der Bund 563 liegt nahe dem oberen, von der Öffnung 561
abgewandten Ende der Kammer 559. Wenn der Arbeitskolben
512 seinen Arbeitshub beginnt, bleibt der Schließkör
per 543 aufgrund der Massenträgheit solange in der ge
zeigten Schließstellung, bis die Anschlagschulter 565
auf den Bund 563 auftrifft. Zu diesem Zeitpunkt hat der
Arbeitskolben 512 bereits den größeren Teil seines
Arbeitshubs zurückgelegt. Der Schließkörper 543 wird
in Richtung des Arbeitshubs beschleunigt. Wenn der
Arbeitskolben 512 seinen oberen Wendepunkt erreicht,
wird er durch eine Rückstellkraft wieder nach unten
bewegt. Der Schließkörper 543 bewegt sich jedoch zu
nächst unter dem Einfluß der Massenträgheit weiter
nach oben, bis er am oberen Ende der Kammer 559 an
schlägt, worauf er durch den Arbeitskolben 559 wieder
nach unten mitgenommen wird. Weil der Schließkörper
543 dabei in die Kammer 559 zurückgezogen ist, bleibt
der Abgasauslaß 28 voll geöffnet, bis der Arbeitskol
ben 512 seinen unteren Wendepunkt wieder erreicht hat.
Auch die in den Fig. 14 und 15 dargestellten Ausfüh
rungsformen dienen dem Zweck, den Abgasauslaß 28
während des Arbeitshubs geschlossen und während des
Rückhubs geöffnet zu halten.
Der Arbeitskolben 612 ist hier wieder fest mit einer
hohlen Kolbenstange 614 verbunden, durch die eine fest
mit dem tellerförmigen Schließkörper 643 verbundene
Stellstange 645 längsverschieblich geführt ist. An dem
vom Schließkörper 643 abgewandten Ende ist die Stell
stange 645 mit einem Bund 669 versehen. Eine bezogen
auf den Zylinder 10 ortsfest gelagert Sperrklinke 671
ist in eine in die Bahn des Bundes 669 ragende Sperr
stellung durch eine Feder 673 vorgespannt. Die Sperr
klinke 671 ist so angeordnet, daß sie auf der vom
Schließkörper 643 abgewandten Seite den Bund 669
übergreifen kann, wenn sich der Schließkörper 643 in
seiner den Abgasauslaß 28 verschließenden bzw. bis
auf einen Auslaßspalt für das bei Leerlaufbetrieb der
Verbrennungskraftmaschine anfallende Abgas verschlies
senden Stellung befindet. Zwischen dem Bund 669 und
einem ortsfesten, von der Stellstange 645 durchquerten
Widerlager 675 ist eine Druckfeder 677 eingespannt,
die bestrebt ist, den Schließkörper 643 in seine geöff
nete Stellung anzuheben, in der er am Boden 648 des
Arbeitskolbens 612 anliegt.
Dem Arbeitskolben 612 oder der mit ihm verbundenen Kol
benstange 614 ist ein ortsfester Auslöser 679 derart
zugeordnet, daß er bei der Annäherung des Arbeitskolbens
612 an dessen oberen Wendepunkt betätigt wird. Der Aus
löser 679 steht, z.B. elektrisch oder mechanisch, mit
der Sperrklinke 671 derart in Verbindung, daß er bei
seiner Betätigung die Sperrklinke 671 aus ihrer Sperr
stellung bewegt. Dadurch kann die Druckfeder 677 den
Schließkörper 643 in seine Öffnungsstellung drücken,
in der er am Kolbenboden 648 anliegt. Durch den Rückhub
des Arbeitskolbens 612 wird der Schließkörper 643
wieder in seine Schließstellung überführt, die er am
Ende des Rückhubs des Arbeitskolbens 612 erreicht.
Dabei läuft der Bund 663 an eine schräge Steuerkante
681 der Sperrklinke 671 an, um sie bei der Rückkehr in
Sperrstellung beiseitezudrücken. Der Schließkörper 643
bleibt dann in der Schließstellung, bis er gegen Ende
des nächsten Arbeitshubs des Arbeitskolbens 612 erneut
freigegeben und durch die Druckfeder 677 angehoben wird.
Bei der in Fig. 15 gezeigten Konstruktion handelt es
sich um eine der Fig. 14 sehr ähnliche Gestaltung, wo
bei jedoch die Druckfeder 677 zwischen dem Bund 669
und einem Bund 683 an der hohlen Kolbenstange 614 ein
gespannt ist und die Sperrklinke 671 den Schließkörper
643 dadurch freigibt, daß die hohle Kolbenstange 614
gegen eine hierzu an der Sperrklinke 671 vorgesehene
Steuerkante 685 läuft.
In den Fig. 16 bis 18 ist eine besonders einfache Kon
struktion dargestellt, welche ebenfalls eine "unsymme
trische" Öffnungscharakteristik für das den Abgas
auslaß 28 steuernde Ventil ermöglicht.
In Fig. 16 befindet sich ein mit einer hohlen Kolben
stange 714 versehener Arbeitskolben 712 in seiner Ruhe
stellung, in die er durch eine Rückstellfeder 32 ge
drückt wird, die zwischen einem an der Führung 716
der Kolbenstange 714 angeordneten Widerlager 787 und
einem Führungsstück 789 an der Kolbenstange 714 einge
spannt ist. Ein tellerförmiger Schließkörper 743 ist
mit einer Stellstange 745 verbunden, die mit einem
Führungsstück 769 in der hohlen Kolbenstange 714 ge
führt ist, wobei zwischen dem Führungsstück 769 und
einer auf dessen dem Schließkörper zugewandter Seite
am Arbeitskolben 712 ausgebildeten Schulter 791 eine
Druckfeder 793 eingespannt ist, die bestrebt ist, den
Schließkörper 743 gegen den Kolbenboden 748 zu ziehen.
Die Anordnung ist jedoch so getroffen, daß der Schließ
körper 743 einen geringen Abstand vom Kolbenboden 748
einhält.
In der in Fig. 16 gezeigten Ruhestellung liegt der Ar
beitskolben 712 an der unteren Stirnfläche 20 des Zylin
ders 10 an, der Schließkörper 743 ist durch die Druck
feder 793 gegen den Kolbenboden 748 gezogen und hält
dadurch einen geringen Abstand vom Boden der Mulde 50,
so daß der bereits mehrfach erwähnte Spalt für das Ab
strömen des Abgases bei Leerlaufbetrieb geöffnet bleibt.
Beim Eintreffen eines Abgasimpulses mit ausreichend ar
beitsfähiger Energie wird durch den Abgasdruck der
Schließkörper 743 gegen die Wirkung der Druckfeder 793
von den zunächst ausströmenden Abgasen gegen den Boden
der Mulde 50 gesaugt und von dem sich aufbauenden Druck
wird der Abgasauslaß vollständig geschlossen, so daß
die Abgasenergie optimal ausgenützt werden kann. Wäh
rend der Arbeitskolben 712 seinen Arbeitshub beginnt,
bleibt der Abgasauslaß so lange geschlossen, bis die
Kraft der sich spannenden Druckfeder 793 den Abgasdruck
auf den Schließkörper 743 überwindet und den Schließ
körper 743 gegen den Kolbenboden 748 zieht. Der Beginn
des Arbeitshubs mit geschlossenem Abgasauslaß ist in
Fig. 17 dergestellt.
Die Kraft der Druckfeder 793 wird vorzugsweise so bemes
sen, daß der Abgasauslaß erst gegen Ende des Arbeitshubs
des Arbeitskolbens 712 geöffnet wird. Die Situation kurz
vor dem Öffnen des Schließkörpers ist in Fig. 18 gezeigt.
Beim Öffnen des Abgasauslasses bewegt sich der Schließ
körper 743 näher zum Arbeitskolben 712. Die Position des
Schließkörpers 743 relativ zum Arbeitskolben 712 ähnlich
Fig. 16 bleibt nun während des Rückhubs und während der
Ruhestellung des Arbeitskolbens 712 erhalten, bis ein
neuer Arbeitshub des Arbeitskolbens 712 beginnt.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 19 bis 21 wirkt
der Arbeitskolben 812 nur in der Endphase seines Rück
hubs auf den Schließkörper 843 ein, um diesen in die
in Fig. 19 gezeigte Ruhestellung zu drücken.
Der tellerförmige Schließkörper 843 ist fest mit einer
zylindrischen Führungshülse 811 verbunden, die eine
im Bereich des Abgasauslasses 28 angeordnete, von einem
in den Abgasauslaß 28 eingesetzten Stern 813 getragene,
ortsfeste Führungshülse 815 umgreift, wobei innerhalb
der beiden Führungshülsen 811 und 815 eine Druckfeder
817 angeordnet ist, die sich einerseits am Stern 813
und andererseits am Schließkörper 843 abstützt und da
durch bestrebt ist, den Schließkörper 843 in seine vom
Abgasauslaß 28 abgehobene Öffnungsstellung zu drücken.
Befindet sich der Arbeitskolben 812 in seiner Ruhestel
lung (Fig. 19), so drückt er den Schließkörper 843 ent
gegen der Wirkung der Druckfeder 817 in eine Stellung,
in der nur ein geringer Spalt 821 zwischen dem Schließ
körper 843 und der Stirnfläche 20 des Zylinders 10 geöff
net bleibt, durch welchen beim Leerlaufbetrieb das Abgas
zum Abgasauslaß strömen kann.
Erhöht sich der Abgasdruck, so steigt die Strömungsge
schwindigkeit im Spalt 821 stark an, wodurch in diesem
Spalt 821 nach Bernoulli ein Unterdruck entsteht, der
den Schließkörper 843 gegen die Wirkung der Druckfeder
817 vollends gegen die Stirnfläche 20 zieht und dadurch
den Abgasauslaß 28 verschließt, so daß der gesamte Abgas
druck auf den Arbeitskolben 812 und den Schließkörper
843 einwirken kann. Durch den Arbeitshub des Arbeitskol
bens 812 entspannt sich das Abgas, so
daß die Druckfeder 817 schließlich den Schließkörper 843
in die Öffnungsstellung drückt, in der er verbleibt, bis
gegen Ende des Rückhubs des Arbeitskolbens 812 dieser
den Schließkörper wieder aus der in Fig. 21 gezeigten
Öffnungsstellung in die in Fig. 19 gezeigte Ruhestellung
drückt.
Die in Fig. 22 gezeigte Ausführungsform zeigt lediglich
beispielsweise wieder eine Drehklappe 43 als Schließ
körper, die mit einem insgesamt mit 994 bezeichneten
Betätigungsmechanismus verbunden ist. Dieser Betäti
gungsmechanismus umfaßt einen Stellhebel 995, der ge
meinsam mit der Drehklappe 43 um eine die Abgaslei
tung 39 durchquerende Achse 41 verschwenkbar ist,
eine mit einem Kolben 997 einerseits und dem Stell
hebel 995 andererseits jeweils gelenkig verbundene
Stellstange 945, so daß entsprechend der Bewegung des
Kolbens 997 über die Stellstange 945 der Stellhebel
995 und mit ihm die Drehklappe 43 verschwenkt werden
kann, sowie einen ortsfest angeordneten Zylinder 996,
in dem der Kolben 997 beweglich ist und der auf der
von der Stellstange 945 abgewandten Seite stromauf
vom Abgaseinlaß 26 mit der zum Abgaseinlaß 26 führenden
Abgasleitung 30 über eine Abzweigleitung 998 verbun
den ist. Der Kolben 997 ist durch eine Rückstellfeder
999 in Richtung auf die Abzweigleitung 998 belastet.
Wenn in der zum Abgaseinlaß 26 führenden Abgasleitung
30 ein Abgasimpuls auftritt, dessen arbeitsfähige
Energie zumindest so groß ist, daß die Kraft der Rück
stellfeder 999 überwunden werden kann, wird der Kol
ben 997 im Zylinder 996 derart verschoben, daß über die
Stellstange 945 und den Stellhebel 995 die Drehklappe
43 in ihre geschlossene Stellung überführt wird, so
daß der gegebenenfalls verbleibende Rest der arbeits
fähigen Energie des Abgasimpulses zunächst ohne Ver
lust über die Abgasleitung 39 den Arbeitskolben 912
betätigen kann. Nach der Entspannung des Abgases drückt
die Rückstellfeder 999 den Kolben 997 wieder in seine
Ruhestellung zurück, wodurch sich die Drehklappe 43
in die geöffnete Stellung bewegt und das Abgas über
die Abgasleitung 39 entweichen kann.
Anstelle des Kolbens 997 kann z.B. auch eine Membran vor
gesehen sein, wobei die Rückstellkraft gegebenenfalls
auch durch die Eigenelastizität der Membran gegeben
sein kann.
Eine Variante der in den Fig. 10 und 11 gezeigten Aus
führungsform ist in den Fig. 23 und 24 dargestellt,
wobei mit der Ausführungsform nach den Fig. 10 und 11
übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet sind. Bei der Variante nach den Fig. 23
und 24 ist an der dem Schließkörper 343 zugewandten
Unterseite des Arbeitskolbens 312 im Bereich des Mit
nehmers 353 ein Ansatz 333 ausgebildet, der die Stell
stange 345 ringförmig umschließt und geeignet ist,
stets zwischen dem Arbeitskolben 312 und dem Schließ
körper 343 einen der axialen Ausdehnung des Ansatzes
333 entsprechenden Spalt freizuhalten. Eine den Arbeits
kolben in Richtung auf seine Ruhestellung bzw. den
unteren Wendepunkt belastende Rückstellfeder 332
stützt sich einerseits an der Kolbenstange 314 und -
andererseits am ortsfesten Bremsring 355 ab. Auf
der vom Arbeitskolben 312 und vom Schließkörper 343
abgewandten Seite des Bremsrings 355 ist das Ende
der Stellstange 345 mit einer Endplatte 335 versehen.
Zwischen dieser Endplatte 335 und dem Bremsring 355
ist eine Druckfeder 337 angeordnet, die bestrebt ist,
die Stellstange 345 und damit den Schließkörper 343
in der aus Fig. 23 gezeigten Stellung relativ zum
Bremsring 355 abzustützen.
Befindet sich der Arbeitskolben 312 in seinem unteren
Wendepunkt, drückt der Ansatz 333 den Schließkörper 343
gegen die Wirkung der Feder 337 in Richtung auf den
Abgasauslaß 28, die axiale Länge des Ansatzes 333 ist
aber so bemessen, das der Abgasauslaß 28 nicht voll
ständig geschlossen wird.
Trifft ein Abgasimpuls mit ausreichend großer arbeits
fähiger Energie ein, wird durch den im Spalt zwischen
dem Arbeitskolben 312 und dem Schließkörper 343 wirken
den Druck der Schließkörper 343 unter weiterer Belastung
der Druckfeder 337 auf den Abgasauslaß 28 gedrückt und
verschließt diesen, so daß durch die Entspannung des
Abgases der Arbeitskolben 312 in Richtung auf den oberen
Wendepunkt bewegtwird. Sobald sich das Abgas soweit ent
spannt hat, daß die auf den Schließkörper 343 in Rich
tung auf dessen Schließstellung einwirkende Kraft durch
die Druckfeder 337 überwunden werden kann, hebt die
Druckfeder 337 den Schließkörper 343 vom Abgasauslaß ab.
Dies geschieht unabhängig von der Stellung des Arbeits
kolbens 312, es sei denn, der Mitnehmer 353 hätte be
reits den Bund 351 auf der Stellstange 345 erfaßt und
diese mitgezogen, so daß sich die Endplatte 335 bereits
von der Druckfeder 337 abgehoben hat. Bei jedem voll
ständigen Arbeitshub des Arbeitskolbens 312 wird der
Schließkörper 343 bis in die in Fig. 24 gezeigte Stel
lung angehoben und dann durch den Bremsring 355 festge
halten, bis der Ansatz 333 beim Rückhub des Arbeitskol
bens wieder auf den Schließkörper 343 trifft und diesen
mitnimmt.
Die Feder 337 sorgt auch in der Ruhestellung des Arbeits
kolbens 312 für eine beispielsweise beim Leerlaufbetrieb
erforderliche, geringe Öffnung des Abgasauslasses 28;
sie öffnet aber auch den Abgasauslaß 28, wenn die arbeits
fähige Energie des Abgasimpulses nicht ausreicht, den
Arbeitskolben so weit zu bewegen, daß der Mitnehmer 353
den Bund 351 mitnehmen und den Schließkörper 343 vom
Abgasauslaß abheben kann. Der Auslaß wird stets geöffnet,
wenn der Druck auf den Schließkörper 343 einen durch die
Feder 337 vorgegebenen Wert unterschreitet.
Claims (41)
1. Verfahren zur Betätigung eines im Takt der
Abgasimpulse steuerbaren Ventils am Abgasauslaß
eines durch Abgasimpulse aus einer Verbrennungs
kraftmaschine antreibbaren Kolbenladers, der minde
stens einen einen Abgaseinlaß und einen Abgasauslaß
aufweisenden, durch einen beweglichen Kolben begrenz
ten Entspannungsraum aufweist, dadurch gekennzeich
net, daß die Bewegungsenergie zur Ventilbetätigung
der arbeitsfähigen Energie der taktweise ankommenden
Abgasimpulse entnommen wird.
2. Ventilanordnung an einem durch die Abgasimpul
se einer Verbrennungskraftmaschine antreibbaren, min
destens einen durch einen beweglichen Arbeitskolben
begrenzten Entspannungsraum aufweisenden Kolbenla
der, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
wobei die dem Arbeitskolben gegenüberliegende Begren
zung des Entspannungsraums mit mindestens einem Abgas
einlaß und mindestens einem durch einen einen im Takt
der Abgasimpulse steuerbaren Schließkörper der Ventil
anordnung zumindest teilweise zu öffnenden und zu
schließenden Abgasauslaß versehen ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Schließkörper eine fest mit dem Ar
beitskolben (12) verbundene Ausformung (34) ist, die
zumindest während eines Teils der Kolbenbewegung in den
Abgasauslaß (28) hineinragt und dessen Querschnitt zu
mindest teilweise ausfüllt.
3. Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß sich bei vollständig in den zur Aufnahme
der Ausformung (34) bestimmten Ventilabschnitt (42) des
Abgasauslasses (28) eingeführter Ausformung (34) der
Abstand zwischen dem Umfang der Ausformung (34) und der
Begrenzung (44) des Ventilabschnitts (42) in Bewegungs
richtung des Arbeitskolbens (12) verändert.
4. Ventilanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei der Endstellung des Arbeitskolbens
(12), bei welcher die Ausformung (34) voll in den Ven
tilabschnitt (42) eingeführt ist, zwischen dem Umfang
der Ausformung (34) und der Begrenzung des Ventilab
schnitts (42) ein Ausströmspalt (46) geöffnet ist.
5. Ventilanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Ausströmquerschnitt des Abgasauslas
ses (28) geschlossen ist, wenn der Arbeitskolben (12)
seinen Arbeitshub begonnen hat und sich die Ausformung
(34) noch im Ventilabschnitt (42) des Abgasauslasses
(28) befindet.
6. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Aus
formung (34) in Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens
(12) konstant ist.
7. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Ven
tilabschnitts (42) in Bewegungsrichtung des Arbeitskol
bens (12) konstant ist.
8. Ventilanordnung nach einem durch die Abgasimpul
se einer Verbrennungskraftmaschine antreibenden, minde
stens einen durch einen beweglichen Arbeitskolben be
grenzten Entspannungsraum aufweisenden Kolbenlader, zur
Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die
dem Arbeitskolben gegenüberliegende Begrenzung des Ent
spannungsraums mit mindestens einem Abgaseinlaß und min
destens einem durch einen einen im Takt der Abgasimpulse
steuerbaren Schließkörper der Ventilanordnung zumindest
teilweise zu öffnenden und zu schließenden Abgasauslaß
versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein bewegli
cher Schließkörper (43, 143, 343, 443, 543, 643, 743)
des Ventils durch den Arbeitskolben (12, 112, 212, 312,
412, 512, 612, 712) betätigbar ist und daß zwischen dem
Schließkörper (43, 143) und dem Arbeitskolben (12, 112)
eine unlösbare Verbindung besteht.
9. Ventilanordnung an einem durch die Abgasimpul
se einer Verbrennungskraftmaschine antreibbaren, minde
stens einen durch einen beweglichen Arbeitskolben be
grenzten Entspannungsraum aufweisenden Kolbenlader, zur
Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die
dem Arbeitskolben gegenüberliegende Begrenzung des Ent
spannungsraums mit mindestens einem Abgaseinlaß und min
destens einem durch einen einen im Takt der Abgasimpulse
steuerbaren Schließkörper der Ventilanordnung zumindest
teilweise zu öffnenden und zu schließenden Abgasauslaß
versehen ist dadurch gekennzeichnet, daß ein bewegli
cher Schließkörper (43, 143, 343, 443, 543, 643, 743)
des Ventils durch den Arbeitskolben (12, 112, 212, 312,
412, 512, 612, 712) betätigbar ist und daß zwischen dem
Schließkörper (43, 343, 443, 543, 643) und dem Arbeits
kolben (212, 312, 412, 512, 612, 712) eine lösbare Kupp
lungsverbindung besteht.
10. Ventilanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kupplungsverbindung (45, 247; 314,
343, 351; 412, 414, 445, 457; 512, 563, 565; 612, 643)
selbsttätig lösbar ist.
11. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein den Schließkörper (14) bewegendes
Stellglied (45) mit dem Arbeitskolben (212) über eine
beim Erreichen einer Stellkraftschwelle lösbare Kupplung
(214, 247) verbunden und der Schließkörper zwischen sei
ne Öffnungs- und Schließstellung definierenden Anschlä
gen (42, 45; 249) bewegbar ist.
12. Ventilanordnung nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein den Schließkörper (343) bewegen
des Stellglied (345) durch eine ortsfeste, beim Er
reichen einer Stellkraftschwelle lösbare Kupplung
(355) gehalten und über eine ein Spiel in Hubrichtung
aufweisende Mitnehmerverbindung (343, 351, 353) mit dem
Arbeitskolben (312) zur Verschiebung gegenüber der orts
festen Kupplung (355) kuppelbar ist.
13. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 11
oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Er
reichen einer Stellkraftschwelle lösbare Kupplung
(214, 247; 355) eine Reibungskupplung ist.
14. Ventilanordnung nach Anspruch 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Schließkörper (543) im Arbeits
kolben (512) in dessen Hubrichtung frei beweglich zwi
schen zwei Grenzstellungen geführt ist, in deren obe
rer er vollständig in den Arbeitskolben (512) eintaucht
und in deren unterer er zur schließenden Abdeckung des
Abgasauslasses aus dem Arbeitskolben (512) herausragt.
15. Ventilanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwischen dem Schließkörper (643) und dem
Arbeitskolben (612) eine einseitig in Richtung auf die
Schließstellung des Schließkörpers gerichtete Mitnehmer
verbindung (612, 643) besteht, daß der Schließkörper
(643) in seiner Schließstellung durch eine selbsttätige
Sperre (671) verriegelbar ist, und daß die Sperre (671)
durch den Arbeitskolben (612) in der Endphase des durch
den Abgasimpuls verursachten Arbeitshubs lösbar ist.
16. Ventilanordnung nach Anspruch 15, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Mitnehmerverbindung (612, 643)
zwischen Arbeitskolben (612) und Schließkörper (643)
derart ausgelegt ist, daß erst bei Beendigung des Rück
hubs das Ventil seine geschlossene Stellung einnimmt.
17. Ventilanordnung nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß zwischen Stellglied (445) und Arbeits
kolben (412) ein Umkehrmechanismus (457) zur gegen
läufigen Verbindung von Stellglied (445) und Arbeits
kolben (412) angeordnet ist.
18. Ventilanordnung nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Schließkörper (743, 843) den Ab
gasauslaß (28) überdeckt und durch eine Federanordnung
(793, 893) in Richtung auf den dem Abgasauslaß zuge
wandten Boden (748, 848) des Arbeitskolbens (712, 812)
belastet ist.
19. Ventilanordnung nach Anspruch 18, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Schließkörper (743) durch die
Federanordnung (793) in Richtung auf einen am Arbeits
kolben (712) angeordneten Anschlag (789) belastet ist,
wobei zwischen dem Schließkörper (743) und dem Arbeits
kolben (712) ein Abstand freigehalten ist, wenn der
Schließkörper (743) am Anschlag anliegt.
20. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 18 oder
19, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung einer
seits am Arbeitskolben (712) und andererseits am Schließ
körper (743) angeordnete, in Hubrichtung des Arbeitskol
bens (712) einen Abstand voneinander aufweisende Mitneh
mer (769, 791) umfaßt, zwischen denen ein Federelement
(793) derart angeordnet ist, daß es bestrebt ist, den
Arbeitskolben (712) und den Schließkörper (743) in ihre
eng benachbarte Stellung zu bewegen.
21. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 18
bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung
(793) bei dem Abgasauslaß (28) benachbarter Endstellung
des Arbeitskolbens (712) unter Bildung eines Auslaß
spaltes den Schließkörper (743) geringfügig vom Ab
gasauslaß (28) abhebt.
22. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 2
bis 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeits
kolben (12, 112) eine seinen Rückhub verzögernde Ein
richtung (60, 62; 80) zugeordnet ist.
23. Ventilanordnung nach Anspruch 22, dadurch ge
kennzeichnet, daß zur Rückhubverzögerung eine Einrich
tung (80) vorgesehen ist, die geeignet ist, den Ar
beitskolben (12, 112) zeitweilig in dem vom Abgasauslaß
abgelegenen Totpunkt der Kolbenbewegung festzuhalten.
24. Ventilanordnung nach Anspruch 22, dadurch ge
kennzeichnet, daß dem Arbeitskolben (12, 112) in dem
vom Abgasauslaß (28) abgewandten Totpunkt eine lösbare
Sperre (80) zugeordnet ist.
25. Ventilanordnung nach Anspruch 24, dadurch ge
kennzeichnet, daß sie zwei zu gemeinsamer Bewegung un
lösbar miteinander verbundene, jeweils einen Entspan
nungsraum begrenzende Arbeitskolben (12, 112) umfaßt,
die alternierend und gegenläufig mit Abgasimpulsen be
aufschlagbar angeordnet sind, und daß die dem jeweils
einen Arbeitskolben (12, 112) zugeordnete Sperre (80)
durch den den jeweils anderen Arbeitskolben (112, 12)
beaufschlagenden Abgasimpuls lösbar ist.
26. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 24
oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperre aus
einer Federanordnung (80) besteht, die beiderseits
einer labilen Mittelstellung zwei stabile Endstellungen
aufweist, und die derart mit dem Arbeitskolben (12,
112) verbunden ist, daß sie zugleich mit dem Arbeits
kolben (12, 112) eine ihrer beiden Endstellungen ein
nimmt.
27. Ventilanordnung nach Anspruch 22, dadurch ge
kennzeichnet, daß mit dem Arbeitskolben (12) eine Ein
richtung verbunden ist, die geeignet ist, die Geschwin
digkeit des Rückhubs im Vergleich zur Geschwindigkeit
des Arbeitshubs zu verzögern.
28. Ventilanordnung nach Anspruch 27, dadurch ge
kennzeichnet, daß mit dem Arbeitskolben (12) ein Dämp
fungskolben (60) verbunden ist, der in einem Zylinder
(62) beweglich angeordnet ist und im Zylinder (62) eine
in ihrem Volumen veränderliche Dämpfungskammer (64) be
grenzt, die mit einem sich während des Arbeitshubs öff
nenden Rückschlagventil (66) mit großem Durchflußquer
schnitt und einer Drosselöffnung (68) versehen ist.
29. Ventilanordnung nach Anspruch 28, dadurch ge
kennzeichnet, daß auf der von der Dämpfungskammer (64)
abgewandten Seite des Dämpfungskolbens (60) im Zylin
der (62) eine Kompressionskammer angeordnet ist, deren
Volumen sich während des Arbeitshubs des Arbeitskol
bens (12) verringert.
30. Ventilanordnung nach Anspruch 29, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kompressionskammer (70) über
einen einstellbaren Druckregler (72) mit einem Druck
speicher (74) verbunden ist.
31. Ventilanordnung an einer durch die Abgasimpul
se einer Verbrennungskraftmaschine antreibbaren, minde
stens einen durch einen beweglichen Arbeitskolben be
grenzten Entspannungsraum aufweisenden Kolbenmaschine,
zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei
die dem Arbeitskolben gegenüberliegende Begrenzung des
Entspannungsraums mit mindestens einem Abgaseinlaß
und mindestens einem durch einen im Takt der Abgas
impulse steuerbaren Schließkörper der Ventilanordnung
zumindest teilweise zu öffnenden und zu schließenden
Abgasauslaß versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß
ein den Abgasauslaß (28) überdeckender Schließkörper
(843) in Hubrichtung des Arbeitskolbens (812) zwischen
einer den Abgasauslaß abdeckenden Schließstellung und
einer vom Abgasauslaß entfernten Öffnungsstellung be
weglich geführt und durch eine Feder (893) in Richtung
auf seine Öffnungsstellung belastet ist und daß der
Schließkörper (843) in der dem Abgasauslaß (28) be
nachbarten Ruhestellung des Arbeitskolbens (812) durch
Anlage am Arbeitskolben soweit gegen die dem Arbeitskol
ben (812) gegenüberliegende Begrenzung (20) des Entspan
nungsraums gedrückt wird, daß ein geringer Spalt zwi
schen dem Schließkörper (843) und dieser Begrenzung
(20) verbleibt.
32. Ventilanordnung an einer durch die Abgasimpulse
einer Verbrennungskraftmaschine antreibbaren, minde
stens einen durch einen beweglichen Arbeitskolben be
grenzten Entspannungsraum aufweisenden Kolbenmaschine,
zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei
die dem Arbeitskolben gegenüberliegende Begrenzung des
Entspannungsraums mit mindestens einem Abgaseinlaß
und mindestens einem durch einen einen im Takt der Ab
gasimpulse steuerbaren Schließkörper der Ventilanordnung
zumindest teilweise zu öffnenden und zu schließenden
Abgasauslaß versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Schließkörper (943) ein Betätigungsmechanismus
(994) zugeordnet ist, der als Antriebselement ein von
den Abgasimpulsen beaufschlagbares Verdrängungselement
(997) umfaßt, wobei die Anordnung deart gewählt ist,
daß der Schließkörper (943) bei einer Druckbeaufschla
gung des Verdrängungselements (997) in seine geschlos
sene Position überführbar ist.
33. Ventilanordnung nach Anspruch 32, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Betätigungsmechanismus (994) mit
einem dem Abgasimpuls entgegengesetzt gerichteten Wider
stand (999) versehen ist.
34. Ventilanordnung nach Anspruch 33, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Widerstand als Rückstelleinrich
tung (999) ausgebildet ist.
35. Ventilanordnung nach Anspruch 32, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Antriebselement (997) vor dem
Abgaseinlaß (26) des Entspannungsraums mit einer zum
Entspannungsraum führenden Abgasleitung (30) in Ver
bindung steht.
36. Ventilanordnung nach Anspruch 32, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Verdrängungselement (997) als
Kolben ausgebildet ist.
37. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 32
oder 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdrängungs
element eine Membran ist.
38. Ventilanordnung nach Anspruch 37, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Membran durch ihre Eigenelasti
zität in dem Abgasimpuls entgegengesetzter Richtung
vorgespannt ist.
39. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche
8 bis 13, 15 bis 17, oder 32 bis 38, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Schließkörper eine Drehklappe (43,
943) ist, die um eine den Abgasauslaß querende Achse
(41, 941) zwischen einer Schließ- und einer Öffnungs
stellung verschwenkbar ist.
40. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 9,
10, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließ
körper (343) durch eine Feder (337) in einer den Abgas
auslaß (28) zumindest teilweise freigebenden Stellung
entgegen der Schließrichtung abgestützt ist.
41. Ventilanordnung nach Anspruch 40, dadurch ge
kennzeichnet, daß zwischen dem Schließkörper (343)
und dem Arbeitskolben (312) ein Anschlag (333) vor
gesehen ist, der geeignet ist, zwischen einer am
Schließkörper (343) ausgebildeten, dem Arbeitskolben
(312) zugewandten Kolbenfläche und dem Arbeitskol
ben einen Abstand freizuhalten, und daß der Schließ
körper durch die ihn abstützende Feder (337) in Rich
tung auf den Arbeitskolben (312) belastet ist.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3625050A DE3625050C2 (de) | 1986-07-24 | 1986-07-24 | Verfahren zur Betätigung eines steuerbaren Ventils am Abgasauslaß eines durch Abgasenergie aus einer Brennkraftmaschine antreibbaren Kolbenladers und Ventilanordnung zur Durchführung des Verfahrens |
DE8787110608T DE3778230D1 (de) | 1986-07-24 | 1987-07-22 | Durch abgasimpulse einer verbrennungskraftmaschine antreibbarer kolbenlader. |
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