DE3625051A1 - Durch abgasimpulse einer verbrennungskraftmaschine antreibbarer kolbenlader - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen durch die Abgasimpulse einer Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Kolben­ lader, der mindestens einen durch einen beweglichen Arbeitskolben begrenzten Entspannungsraum aufweist, dessen dem Kolben gegenüberliegende Begrenzung mit min­ destens einem Abgaseinlaß und Abgasauslaß versehen ist, wobei der Abgasauslaß mit einem im Takt der Abgasimpul­ se steuerbaren, einem seinen Fließquerschnitt zumindest teilweise öffnenden und schließenden Ventilkörper auf­ weisenden Ventil versehen ist.

Damit die arbeitsfähige Energie der am Kolbenlader ein­ treffenden Abgase optimal ausgenützt werden kann, ist eine Steuerung des Abgasauslasses erforderlich, weil andernfalls ein Großteil der Abgase aus dem Entspan­ nungsraum ausfließen kann, ohne Arbeit zu verrichten.

Bekannte Kolbenlader dieser Art besitzen auf der Auslaß­ seite eine Ventilsteuerung, die direkt von der Verbren­ nungskraftmaschine angetrieben wird. Dies führt zu kom­ plexen und dadurch teueren Konstruktionen, die außerdem die Freizügigkeit bei der räumlichen Anordnung der Kol­ benmaschine relativ zur Verbrennungskraftmaschine be­ hindern. Wirkt die Kolbenmaschine als Hilfsmaschine mit der Verbrennungskraftmaschine zusammen, insbesondere als Lader, so ist eine Anpassung der Kolbenmaschine an die Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine er­ wünscht, die bei einer Ventilsteuerung direkt von der Verbrennungskraftmaschine aus nicht automatisch durch­ führbar ist, es sei denn durch eine zusätzliche, teuere Steuerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst geringem Aufwand eine zuverlässige Steuerung der Kolben­ maschine zur optimalen Ausnützung der arbeitsfähigen Energie der Abgasimpulse der Verbrennungskraftmaschine zu ermöglichen, wobei zugleich eine automatische Anpas­ sung der Kolbenmaschine an den herrschenden Betriebszu­ stand der Verbrennungskraftmaschine erreichbar sein soll. Außerdem soll durch einfache konstruktive Änderungen eine optimale Anpassung an die jeweiligen Einsatzbedingungen möglich sein.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Kolbenlader der eingangs genannten Art darin, daß der Ventilkörper am Arbeitskolben auf dessen dem Abgasauslaß zugewandter Seite angeordnet ist und zumindest während eines Teils der Kolbenbewegung in den Abgasauslaß hineinragt und dessen Querschnitt zumindest teilweise ausfüllt, wobei vorzugsweise der Ventilkörper eine fest mit dem Arbeits­ kolben verbundene Ausformung ist.

Beim Eintreffen eines Abgasimpulses wird der Arbeits­ kolben von der mit Abgaseinlaß und Abgasauslaß versehe­ nen Begrenzung des Entspannungsraums abgehoben, wodurch die fest mit dem Arbeitskolben verbundene Ausformung ihre Eindringtiefe in den Abgasauslaß verringert. So­ bald der Kolbenhub die maximale Eindringtiefe der Aus­ formung in den Abgasauslaß übersteigt, verläßt die Aus­ formung den Abgasauslaß und gibt dessen gesamten Quer­ schnitt frei, so daß das Abgas ungehindert abströmen kann, bis die Ausformung beim Rückhub des Arbeitskol­ bens wieder in den Abgasauslaß eindringt. Zeitlicher Verlauf und arbeitsfähige Energie der Abgasimpulse sind vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine ab­ hängig. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion erfolgt die Steuerung und Betätigung des Ventils am Abgasauslaß des Kolbenladers durch die Abgasimpulse der Verbren­ nungskraftmaschine und in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, wobei der konstruktive Aufwand sehr gering ist und sich auf die Anordnung einer Ausformung am Arbeitskolben und einer Anpassung der Querschnitte dieser Ausformung und des Abgasauslasses beschränkt. Außer der Abgasleitung ist keine weitere, durch die Ventilsteuerung bedingte Verbindung zur Verbrennungskraftmaschine erforderlich, so daß eine große Freizügigkeit hinsichtlich der räum­ lichen Anordnung besteht. Schließlich sind keine zusätz­ lichen beweglichen Teile erforderlich, so daß eine hohe Zuverlässigkeit der Ventilsteuerung sichergestellt ist.

Eine andere zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß der Ventilkörper im Arbeitskolben in dessen Hub­ richtung frei beweglich zwischen zwei Grenzstellungen geführt ist, in deren oberer er in den Arbeitskolben eintaucht und in deren unterer er zur schließenden Ab­ deckung des Abgasauslasses aus dem Arbeitskolben her­ ausragt.

Bei dieser Ausführungsform kann der Schließkörper seine Stellung relativ zum Arbeitskolben aufgrund seiner Mas­ senträgheit verändern oder beibehalten, so daß sich ein sehr geringer konstruktiver Auswand bei sehr vorteil­ haften Öffnungs- und Schließzeitpunkten ergibt. Beginnt der Kolben seinen Arbeitshub, bleibt der Schließkörper in seiner den Abgasauslaß sperrenden Stellung bis er relativ zum Arbeitskolben seine untere Grenzstellung erreicht hat, was zweckmäßigerweise 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 zunächst noch in Richtung auf seine obere Grenzstellung. Sobald er diese erreicht hat, wird er vom Arbeitskolben in entgegengesetzter Richtung mit­ genommen wobei der Schließkörper in den Arbeitskolben eingetaucht bleibt, bis der Arbeitskolben seinen Rück­ hub beendet hat, so daß während des gesamten Rückhubs des Kolbens der Abgasauslaß geöffnet bleibt. Beendet der Arbeitskolben seinen Rückhub, bewegt sich der Schließkörper aufgrund der Massenträgheit weiter, bis er den Abgasauslaß im gewünschten Umfang verschließt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann sich bei vollständig in den zur Aufnahme der Ausformung bestimmten Ventilabschnitt des Abgasauslasses eingeführ­ ter Ausformung der Abstand zwischen dem Umfang der Aus­ formung und der Begrenzung des Ventilabschnitts in Be­ wegungsrichtung des Arbeitskolbens verändern. Dadurch kann der Abgasauströmquerschnitt in Abhängigkeit von der Bewegung des Arbeitskolbens stetig oder stufenweise verändert werden, um eine optimale Anpassung an die je­ weiligen Einsatzbedingungen zu erreichen. So kann z.B. im unteren Totpunkt des Arbeitskolbens, als welcher der Totpunkt angenommen wird, in dem die Ausformung voll in den Ventilabschnitt eingeführt ist, ein großer Spalt­ querschnitt zwischen Ausformung und Begrenzung des Ven­ tilabschnitts vorgesehen werden, um im Leerlauf der Ver­ brennungskraftmaschine, in welchem kein Laderbetrieb erforderlich ist, das ungehinderte Abströmen des Abga­ ses zu ermöglichen, während die mit zunehmender Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine zunehmende Abgasenergie den Arbeitskolben aus dem unteren Totpunkt bewegen und dadurch aufgrund der Querschnittsunterschiede den Spalt­ querschnitt verringern wird, um die Abgasenergie opti­ mal für den Betrieb des Kolbenladers auszunützen, bis kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunkts die Ausfor­ mung den Ventilabschnitt verläßt und damit dessen vollen Querschnitt für das Ausströmen des entspannten Abgases freigibt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß dem Arbeitskolben eine seinen Rückhub verändernde, vorzugsweise verzögernde Einrichtung zugeordnet ist. Durch die Verzögerung wird erreicht, daß der Abgasaus­ laß relativ lang geöffnet bleibt, um dem entspannten Abgas ein möglichst vollständiges Abströmen aus dem Zy­ linder des Kolbenladers zu gestatten und dadurch die dem Rückhub des Kolbens nach dem dabei erfolgenden Schließen des Abgasauslasses durch die Verdichtung des im Zylinder verbliebenen Abgases entgegenwirkende Kraft auf ein Minimum zu reduzieren.

Die Rückhubverzögerung kann durch eine Einrichtung er­ folgen, welche den Kolben zeitweilig in dem vom Abgas­ auslaß entfernten Totpunkt festhält, oder durch eine Einrichtung, welche geeignet ist, die Geschwindigkeit des Rückhubs des Arbeitskolbens im Vergleich zur Ge­ schwindigkeit des Arbeitshubs zu verzögern. Eine zweck­ mäßige Ausführungsform einer solchen Einrichtung kann aus einem in einem Zylinder beweglich angeordneten, mit dem Arbeitskolben verbundenen Dämpfungskolben bestehen, der im Zylinder eine in ihrem Volumen veränderliche Dämpfungskammer begrenzt, die mit einem sich während des Arbeitshubs öffnenden Rückschlagventil mit großem Durchströmquerschnitt und einer Drosselöffnung versehen ist. Beim Rückhub des Arbeitskolben schließt das Rück­ schlagventil und die durch die Volumenänderung der Dämpfungskammer verursachte Strömung erfolgt ausschließ­ lich über die Drosselöffnung, wodurch die Rückhubbewe­ gung 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 Totpunkt eine lösbare Sperre zugeordnet. Dabei besteht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung darin, daß die Kolbenmaschine 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 insbesonde­ re auch für die Variante mit zwei zu gemeinsamer Be­ wegung verbundene, alternierend beaufschlagte Arbeits­ kolben eignet, wobei die Federanordnung beiden Arbeits­ kolben gemeinsam zugeordnet ist, wird nach der Hälfte des Arbeitshubs die labile Mittelstellung überschrit­ ten und die in Richtung auf die stabilen Endstellun­ gen wirkende Kraft der Feder unterstützt die Kolben­ bewegung in der jeweils eingeschlagenen Richtung. Falls bei Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine die arbeitsfähige Energie des Abgasimpulses nicht aus­ reicht, einen vollständigen Arbeitshub des Arbeits­ kolbens durchzuführen, ist es bereits ausreichend, wenn der Abgasimpuls den Arbeitskolben über die Hälfte des Kolbenhubs bewegt, weil dann die Federanordnung den Kolben bis in seine Endstellung bewegt und den ihm zugeordneten Abgasauslaß bis zum Eintreffen des nächsten, entgegengesetzt gerichteten, auf den anderen Kolben gerichteten Abgasimpulses geöffnet hält. Zu­ gleich unterstützt die Federanordnung das vollständi­ ge Ausschieben des entspannten Abgases und schließlich hält sie den Arbeitskolben beim Eintreffen von Abgas­ impulsen mit geringem Anteil an arbeitsfähiger Energie in der dem Abgasauslaß benachbarten Endstellung, in welcher zwischen der Ausformung des Arbeitskolbens und der Begrenzung des Ventilabschnitts ein großer Spaltquerschnitt vorgesehen ist, der das Ausströmen des Abgases ohne Betätigung des Arbeitskolbens ermög­ licht.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert. In Verbindung mit den Ansprüchen ergeben sich aus dieser Beschrei­ bung weitere vorteilhafte bzw. zweckmäßige Ausgestal­ tungen der Erfindung.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch den Zylinder einer als Lader dienenden Kolbenmaschine, wobei sich der Arbeitskol­ ben im unteren Totpunkt befindet,

Fig. 2 einen der Fig. 1 ähnlichen Axialschnitt, wobei sich der Arbeitskolben im oberen Totpunkt befindet,

Fig. 3 einen der Fig. 1 ähnlichen Axialschnitt durch eine etwas geänderte Ausführungs­ form,

Fig. 4 einen der Fig. 3 ähnlichen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine Ausführungs­ form mit Rückhubverzögerung,

Fig. 6 einen Axialschnitt durch eine Doppelkolben­ anordnung zur Rückhubverzögerung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung mehrerer Ausgestaltungsmöglichkeiten der Paarung zwischen Abgasauslaß und Ausformung am Arbeitskolben, als Fig. 7a bis 7k bezeichnet. und

Fig. 8 eine Variante mit im Kolben beweglich gela­ gertem Schließkörper.

Ein Zylinder einer als abgasgetriebener Lader einer Ver­ brennungskraftmaschine einzusetzenden Kolbenmaschine ist mit 10 bezeichnet und enthält einen flachen Arbeitskolben 12, der mit einer Kolbenstange 14 verbunden ist, die aus dem Zylinder 10 in einer Führung 16 linear beweglich geführt ist. Der Zylinder 10 wird von einer oberen Stirnfläche 18 begrenzt, durch welche die Kolbenstange 14 nach außen ge­ führt ist, und durch eine untere Stirnfläche 20.

Die obere Stirnfläche ist mit einem Ladelufteinlaßventil 22 und einem Ladeluftauslaßventil 24 versehen, die in Form von Rückschlagventilen 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 seine untere, dem Abgaseinlaß 26 und dem Abgas­ auslaß 28 benachbarte, als "unterer Totpunkt" bezeich­ nete Endstellung 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 arbeitsfähige Energie verfügt, so wird der Arbeitskolben 12 in seine in Fig. 2 gezeigte obere, als "oberer Totpunkt" bezeich­ nete Endstellung bewegt, sofern die arbeitsfähige Ener­ gie des Abgasimpulses durch Entspannung des Abgases im Zylinder 10 nutzbar gemacht werden kann. Es muß also verhindert werden, daß das Abgas ungenützt aus dem Ab­ gasauslaß 28 abfließen kann.

Zu diesem Zweck ist an der unteren Stirnfläche 20 des Zylinders 10 zugewandten Seite des Arbeitskolbens 12 dieser mit einer Ausformung 34 versehen, die im unte­ ren Totpunkt des Arbeitskolbens 12 in den Abgasauslaß 28 hineinragt. Im Bereich des Abgasauslasses 28 schließt sich an dessen Mündung 38 in den Innenraum 40 des Zy­ linders 10 ein in Richtung des Kolbenhubs verlaufender Ventilabschnitt 42 an, in den die Ausformung 34 auf eine gewisse Länge eindringt, wenn sich der Arbeitskol­ ben 12 im unteren Totpunkt 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 Totpunkt 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 können, 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 Tot­ 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 Totpunkt bewegt, dringt dieser Abschnitt 34′ in den einge­ schnürten Bereich der Mündung 38 ein und verhindert so lang das Abströmen von Abgas aus dem Zylinder 10, bis die Ausformung 34 den Ventilabschnitt 42 völlig verlassen hat. Diese Öffnung des Abgasauslasses 28 erfolgt bereits vor Erreichen des oberen Totpunkts, so daß auch beim Rückhub des Arbeitskolbens 12 der Abgasauslaß zunächst geöffnet bleibt, um das Ab­ strömen des entspannten Abgases zu ermöglichen.

Um zu erreichen, daß das entspannte Abgas möglichst ungehindert und vollständig ausströmen kann, ist es vorteilhaft, den Rückhub des Arbeitskolbens 12 zu verzögern, entweder, indem der Rückhub mit vermin­ derter Geschwindigkeit erfolgt, oder indem alterna­ tiv oder zusätzlich der Arbeitskolben nach Beendi­ gung des Arbeitshubs zunächst festgehalten und die ihn festhaltende Sperre mit Verzögerung ausgelöst wird.

Die Fig. 5 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 Totpunkt 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. 6, welche zwei koaxial angeordnete Zylinder 10 und 110 einer als Lader dienenden Kolbenmaschine zeigt. In jedem Zylinder 10 und 110 ist jeweils ein Arbeitskolben 12 bzw. 112 mit einer Ausformung 34 bzw. 134 angeordnet. Beide Arbeitskolben 12 und 112 sind durch eine gemeinsame Kolbenstange 14 miteinan­ der unlösbar verbunden. Auf ihrer von der Kolben­ stange 14 abgewandten Seite sind die beiden Arbeits­ kolben 12 und 112 jeweils mit einer Ausformung 34 bzw. 134 versehen, die in der beschriebenen Weise mit einem Ventilabschnitt 42 bzw. 142 am jeweiligen Abgasauslaß 28 bzw. 128 zusammenwirkt. Die Funktion der beiden Zylinder 10 und 110 entspricht der vor­ stehend beschriebenen Funktion und wird deshalb nicht weiter erläutert. Es ist nur noch anzumerken, daß die Abgaseinlässe 26 bzw. 126 derart angeschlossen sind, daß die von der Verbrennungskraftmaschine an­ kommenden Abgasimpulse alternierend und gegenläufig beide Arbeitskolben 12 und 112 beaufschlagen.

Eine insgesamt mit 80 bezeichnete Federanordnung weist eine Druckfeder 82 auf, die auf einer schwenk­ baren Federführung 84 angeordnet ist. Die Feder­ führung 84 ist in einer die Achse der Zylinder 10 und 110 enthaltenden Ebene um eine diese Ebene rechtwinklig schneidende Achse 86 verschwenkbar gelagert und mit einem Abstand von dieser Achse 86 mit der Kolbenstange 14 derart verbunden, daß die Federführung 84 aufgrund der Bewegung der Arbeits­ kolben 12 und 112 einen Sektor bestreicht, dessen Winkelhalbierende die Achse der beiden Zylinder 10 und 110 unter rechtem Winkel schneidet. Mit anderen Worten: wenn die Kolben 12 und 112 die Hälfte ihres Hubs zurückgelegt haben, verläuft die Federführung 84 unter einem rechten Winkel zur Zylinderachse. Die sich einerseits gegen die Kolbenstange 14 und andererseits gegen ein Widerlager 88 auf der Feder­ führung 84 abstützende Druckfeder 82 ist somit bei halbem Kolbenhub auf ihre geringste Länge zusammen­ gedrückt und nimmt dann eine labile Mittelstellung ein. Sobald die Kolbenbewegung diese Mittelstellung in der einen oder anderen Richtung überschreitet, unterstützt die Kraft der Druckfeder 82 die jewei­ lige Kolbenbewegung und drückt die Kolben gegen den einen oder anderen Totpunkt.

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 Totpunkt gedrückt, wodurch zugleich der Kolben 112 in seinen unteren Totpunkt zurückgeführt wird.

Unter der Wirkung der Druckfeder 82 verbleibt der Arbeitskolben 12 im oberen Totpunkt, 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 Totpunkt zurück­ geführt wird, während anschließend der Arbeitskol­ ben 112 in seinem oberen Totpunkt 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.

In Fig. 7 sind lediglich beispielsweise unterschied­ liche Konfigurationen der Ausformungen 34 und des Ventilabschnitts 42 gezeigt, um darzustellen, daß unter Berücksichtigung der jeweiligen betrieblichen Erfordernisse unterschiedliche Wechselwirkungen - auch unter Berücksichtigung der Kolbenbewegung - zwischen Ventilabschnitt 42 und Ausformung 34 er­ reicht werden können; insbesondere läßt sich durch Veränderung des Spaltquerschnitts zwischen der in den Ventilabschnitt 42 eintauchenden Ausformung 34 und der Wandung des Ventilabschnitts 42 der Durchflußbeiwert beeinflussen.

Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform er­ gibt sich eine "unsymmetrische" Öffnungscharakteristik des Ventils bezogen auf die Wendepunkte des Arbeitskol­ bens 512. Im Arbeitskolben 512 ist eine zur Achse des Zylinders 10 koaxial angeordnete Kammer 559 ausgebil­ det, die eine im Boden 548 des Arbeitskolbens 512 an­ geordnete Öffnung 561 mit geringerem Querschnitt als dem der Kammer 559 aufweist. Ein Ventilschließkörper 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 angepaß­ ten Bund 563 an seinem in Bezug auf die Kammer 559 inne­ ren Ende in axialer Richtung in der Kammer 559 geführt ist. Wenn der Schließkörper 543 vollständig in die Kam­ mer 559 eingeschoben ist, wobei sein äußeres Ende noch im Bereich der Öffnung 561 geführt ist, besteht zwi­ schen dem Bund 563 und einer durch die Querschnittser­ weiterung der Kammer 559 gegenüber der Öffnung 561 ge­ bildeten, diesem Bund 563 zugewandten Anschlagschulter 565 ein axialer Abstand, der etwas geringer ist, als die Hublänge des Arbeitskolbens 512. Der Abstand ent­ spricht der Weglänge, die der Arbeitskolben 512 zurück­ legt, bevor gegen Ende des Arbeitshubs der Abgasauslaß 28 geöffnet wird.

Befindet sich, wie in Fig. 8 dargestellt, der Arbeits­ kolben 512 in der auch als "unterer Totpunkt" bezeich­ neten Ruhestellung, ragt der Schließkörper 543 etwas in den Abgasauslaß 28. Der Bund 563 liegt auf der An­ schlagschulter 565 auf. Wenn der Arbeitskolben 512 seinen Arbeitshub beginnt, wird der Schließkörper 543 zunächst aus dem Abgasauslaß 28 herausgezogen, bis er schließlich den Auslaßquerschnitt freigibt.

Zu diesem Zeitpunkt beendet der Arbeitskolben 512 sei­ nen Arbeitshub und der Schließkörper 543 wurde in Richtung des Arbeitshubs beschleunigt. Wenn der Ar­ beitskolben 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 512 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 Totpunkt wieder erreicht hat.

Claims (17)

1. Durch die Abgasimpulse einer Verbrennungskraft­ maschine antreibbarer Kolbenlader, der mindestens einen durch einen beweglichen Arbeitskolben begrenzten Ent­ spannungsraum aufweist, dessen dem Kolben gegenüber­ liegende Begrenzung mit mindestens einem Abgaseinlaß und Abgasauslaß versehen ist, wobei der Abgasauslaß mit einem im Takt der Abgasimpulse steuerbaren, einen sei­ nen Fließquerschnitt zumindest teilweise öffnenden und schließenden Ventilkörper aufweisenden Ventil versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper am Arbeitskolben (12, 112, 512) auf dessen dem Abgasaus­ laß (28, 128) zugewandter Seite angeordnet ist und zu­ mindest während eines Teils der Kolbenbewegung in den Abgasauslaß (28, 128) hineinragt und dessen Querschnitt zumindest teilweise ausfüllt.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ventilkörper eine fest mit dem Ar­ beitskolben (12, 112) verbundene Ausformung (34, 134) ist.

3. Kolbenlader nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ventilkörper (243) im Arbeitskolben (212) in dessen Hubrichtung frei beweglich zwischen zwei Grenzstellungen geführt ist, in deren oberer er in den Arbeitskolben (212) eintaucht und in deren un­ terer er zur schließenden Abdeckung des Abgasauslasses (28) aus dem Arbeitskolben (212) herausragt.

4. Kolbenlader nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich bei vollständig in den zur Aufnahme der Ausformung (34, 134) bestimmten Ventilabschnitt (42, 142) des Abgasauslasses (28, 128) eingeführter Ausformung (34, 134) der Abstand zwischen dem Umfang der Ausformung (34, 134) und der Begrenzung (44) des Ventilabschnitts (42, 142) in Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens (12, 112) verändert.

5. Kolbenlader nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei der Endstellung des Arbeitskolbens (12, 112), bei welcher die Ausformung (34, 134) voll in den Ventilabschnitt (42, 142) eingeführt ist, zwi­ schen dem Umfang der Ausformung (34, 134) und der Be­ grenzung des Ventilabschnitts (42, 142) ein Ausström­ spalt (46) geöffnet ist.

6. Kolbenlader nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausströmquerschnitt des Abgasaus­ lasses (28, 128) geschlossen ist, wenn der Arbeitskol­ ben (12, 112) seinen Arbeitshub begonnen hat und sich die Ausformung (34, 134) noch im Ventilabschnitt (42, 142) des Abgasauslasses (28, 128) befindet.

7. Kolbenlader nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Ausformung (34) in Bewegungsrichtung des Arbeits­ kolbens (12) konstant ist.

8. Kolbenlader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Ventil­ abschnitts (42) in Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens (12) konstant ist.

9. Kolbenlader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeits­ kolben (12, 112) eine seinen Rückhub verzögernde Einrichtung (60, 62; 80) zugeordnet ist.

10. Kolbenlader nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Rückhubverzögerung eine Einrich­ tung (80) vorgesehen ist, die geeignet ist, den Arbeits­ kolben (12, 112) zeitweilig in dem vom Abgasauslaß (28) abgelegenen Totpunkt der Kolbenbewegung festzuhalten.

11. Kolbenlader nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Arbeitskolben (12, 112) in dem vom Abgasauslaß abgewandten Totpunkt eine lösbare Sperre (80) zugeordnet ist.

12. Kolbenlader nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, 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 beaufschlagbar 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.

13. Kolbenlader nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperre aus einer Federanordnung (80) besteht, die beiderseits einer labi­ len Mittelstellung zwei stabile Endstellungen aufweist und die derart mit dem Arbeitskolben (12, 112) verbun­ den ist, daß sie zugleich mit dem Arbeitskolben (12, 112) eine ihrer beiden Endstellungen einnimmt.

14. Kolbenlader nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit dem Arbeitskolben (12) eine Einrichtung verbunden ist, die geeignet ist, die Geschwindigkeit des Rückhubs im Vergleich zur Geschwindigkeit des Arbeitshubs zu verzögern.

15. Kolbenlader nach Anspruch 14 , dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit dem Arbeitskolben (12) ein Dämpfungs­ kolben (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 Durchströmquer­ schnitt und einer Drosselöffnung (68) versehen ist.

16. Kolbenlader nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf der von der Dämpfungskammer (64) abgewandten Seite des Dämpfungskolbens (60) im Zylin­ der (62) eine Kompressionskammer (70) angeordnet ist, deren Volumen sich während des Arbeitshubs des Arbeits­ kolbens (12) verringert.

17. Kolbenlader nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kompressionskammer (70) über einen einstellbaren Druckregler (72) mit einem Druck­ speicher (74) verbunden ist.