DE3625051C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen durch die Abgasenergie einer Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Kolben­ lader, der mindestens einen durch einen beweglichen Arbeitskolben begrenzten Entspannungsraum aufweist, dessen dem Kolben gegenüberliegende Begrenzung mit mindestens einem Abgaseinlaß und Abgasauslaß versehen ist, wobei der Abgasauslaß mit einem steuerbaren einen seinen Querschnitt zumindest teilweise öffnenden und schließenden, beweglichen Ventilkörper aufweisenden Ventil versehen ist.

Eine durch das Abgas eines Verbrennungsmotors betriebene Kolbenpumpe dieser Art ist aus der DE-OS 21 39 932 bekannt. Der Entspannungsraum ist dabei mit einem Einlaßventil und einem Auslaßventil versehen, die in Abhängigkeit von der taktweisen Bewegung des Pumpen­ kolbens gesteuert werden. Hierzu ist dem Abgaseinlaß und dem Abgasauslaß ein gemeinsamer Schließkörper in Form einer federbelasteten Wippe zugeordnet, die durch an der Kolbenbewegung teilnehmende Anschläge unter Vermittlung eines Steuerhebels in der Weise zwischen zwei stabilen Endstellungen umgesetzt werden kann, daß sie über einen Totpunkt gedrückt wird und dann unter der Wirkung der Feder in eine von zwei stabilen Endstellungen schnappt, in deren einer der Schließkörper den Abgaseinlaß und in deren anderer er den Abgasauslaß verschließt.

Sobald sich der Pumpenkolben unter dem Einfluß des im Entspannungsraum wirksamen Abgasdruck bewegt, erfolgt in Abhänigkeit von der Kolbenbewegung ein taktweises Öffnen und Schließen der Ventile, so daß der Kolbentakt vom Ventiltakt und dieser wiederum vom Kolbentakt abhängig ist, woraus sich ergibt, daß der Rhythmus der Kolbenbewegung letzten Endes von am Einlaßventil anstehenden Abgasdruck und dem der Kolbenbewegung entgegenwirkenden Widerstand abhängig ist. Es ist deshalb wichtig, daß bei dieser Pumpe stets ein ausreichend hoher Abgasdruck am Abgaseinlaß des Entspannungsraums ansteht.

Ein wesentlicher Vorteil eines Kolbenladers besteht darin, daß der taktweise arbeitende Lader direkt in den zu ladenden Motorzylinder fördern kann. Die aus der DE-OS 21 39 392 bekannte Pumpe weist keine Einrichtung auf, die geeignet wäre, den Rhythmus der Kolbenbewegung mit der Zündfrequenz des das Abgas liefernden Motors zu synchronisieren, weshalb sie als Lader nur dann eingesetzt werden kann, wenn ihr ein ausreichend großer Speicher nachgeschaltet wird, wodurch der vorstehend genannte Vorteil des Kolbenladers verloren geht.

Neben der Anordnung einer umfangreichen Mechanik im Entspannungsraum erweist es sich bei der Konstruktion nach der DE-OS 21 39 932 als nachteilig, daß eine den jeweiligen Einsatzbedingungen entsprechende optimale Anpassung durch Beeinflussung des zeitlichen Druckverlaufs innerhalb des Entspannungsraums nicht möglich ist. Insbesondere besteht keine Möglichkeit, Abgaseinlaß und Abgasauslaß zugleich geöffnet zu halten, was in bestimmten Betriebssituationen erwünscht sein kann.

Bei einem Kolbenlader ist eine Steuerung des Abgasauslasses des Entspannungsraums erforderlich, um die arbeitsfähige Energie der an dem Kolbenlader eintreffenden Abgase optimal auszunützen, weil andernfalls ein Großteil der Abgase aus dem Entspannungsraum ausfließen kann, ohne Arbeit zu verrichten.

Eine bekannte, durch Motorabgas betriebene Kolbenmaschine besitzt auf der Auslaßseite eine Ventilsteuerung, die direkt vom Verbrennungsmotor angetrieben wird. Dies führt zu komplexen und dadurch teuren Konstruktionen, die außerdem die Freizügigkeit bei der räumlichen Anordnung der Kolbenmaschine relativ zum Verbrennungsmotor behindert. Wirkt die Kolbenmaschine als Hilfsmaschine mit dem Verbrennungsmotor zusammen, insbesondere als Lader, so ist eine Anpassung der Kolbenmaschine an die Betriebszustände des Verbrennungsmotors erwünscht, die bei einer Ventilsteuerung direkt vom Verbrennungsmotor aus nicht automatisch durchführbar ist, es sei denn, durch eine zusätzliche, teuere Steuerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst geringem Aufwand eine zuverlässige Steuerung des Kolbenladers zur optimalen Ausnutzung der ar­ beitsfähigen Energie der Abgasdruckwellen des Verbrennungsmotors zu ermöglichen, wobei zugleich eine automatische Anpassung an den herrschenden Betriebs­ zustand des Verbrennungsmotors erreichbar sein soll. Außerdem soll sich die Konstruktion dazu eignen, möglichst große Strömungsquerschnitte und einen zentralen Abgasauslaß bei möglichst geringerem Platzbedarf vorzunehmen. Schließlich 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 das Ventil im Takt der sich aus der Verbrennung in jeweils einem Zylinder des Verbrennungsmotors ergebenden Abgas­ druckwellen steuerbar ist und 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 ausgefüllt, wobei vorzugsweise der Ventilkörper eine fest mit dem Arbeitskolben verbundene Ausformung ist.

Im Gegensatz zu der aus der DE-OS 21 39 932 bekannten Konstruktion besteht demnach eine direkte Abhängigkeit des Kolbentaktes des Laders von der Zündfrequenz des Motors und der Lader kann zur direkten Förderung in den jeweils zu ladenen Motorzylinder eingesetzt werden, wobei sich aufgrund der Abhängigkeit der Abgasdruckwellen vom jeweiligen Betriebszustand des Motors die automatische Anpassung des Laders an diesen Betriebszustand ergibt.

Sobald der Abgasdruckwelle ausreichend arbeitsfähige Energie entnommen werden kann, wird der Arbeitskolben von der mit Abgaseinlaß und Abgasauslaß versehenen Begrenzung des Entspannungsraumes abgehoben, wodurch der Ventilkörper seine Eindringtiefe in den Abgasauslaß verringert. Sobald der Kolbenhub die maximale Eindringtiefe des Ventilkörpers in den Abgasauslaß übersteigt, verläßt die Ausformung den Abgasauslaß und gibt dessen gesamten Querschnitt frei, so daß das Abgas ungehindert abströmen kann, bis die Ausformung beim Rückhub des Arbeitskolbens wieder in den Abgasauslaß eindringt. Zeitlicher Verlauf und arbeitsfähige Energie der Abgasdruckwellen sind vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine abhängig. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion erfolgt die Steue­ rung und Betätigung des Ventils am Abgasauslaß des Kolbenladers durch die Abgasdruckwellen und in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand der Verbren­ nungskraftmaschine, wobei der konstruktive Aufwand sehr gering ist und sich auf die Anordnung einer Ausformung am Arbeitskolben und eine Anpassung der Querschnitte dieser Ausformung und des Abgasauslasses beschränken kann.

Die DE-OS 29 01 833 zeigt einen Zweitaktmotor mit direkter Spülung, bei dem an einem Kolben ein Aufsatz angeformt ist, der während einer bestimmten Phase der Kolbenbewegung als Ventilkörper in eine Ventilöffnung eindringt und diese verschließt. Es ist bei Zweitaktmotoren seit langem bekannt, Ein- und Auslaßöffnungen für das zu ladende Gemisch bzw. die Abgase im Zylinder durch zugeordnete Kolbenabschnitte abzudecken bzw. freizugeben. Demgegenüber stellt die Ausbildung des Kolbens als Stufenkolben und die Verwendung des Kolbenaufsatzes als Ventilkörper, der in eine sich Bewegungsrichtung des Kolbens erstreckende Ventilöffnung, diese schließend, eindringen kann, nur eine Variante einer an sich bekannten Ventilsteuerung dar. Beim Zweitaktmotor geht es allein darum, die Auslaßöffnung während des Spülvorgangs geöffnet zu halten und sie für die Verdichtung und während der Verbrennung so fest geschlossen zu halten, daß der Verdichtungsdruck bis zur Verbrennung aufrechterhalten werden kann.

Beim Verbrennungsmotor ist die Kolbenbewegung durch die Verbindung des Kolbens mit der Kurbelwelle zwangsgesteuert, wobei eine möglichst gleichförmige Bewegung angestrebt und durch eine Schwungmasse gefördert wird.

Beim durch die Abgasdruckwellen des Motors angetriebenen Kolbenlader ist eine Selbststeuerung des Kolbens und damit eine Möglichkeit zur Änderung des Kolbenhubverlaufs gegeben. Es muß auch nicht notwendigerweise die Ventilöffnung für den Gasaustritt während einer bestimmten Phase der Kolbenbewegung vollständig geschlossen sein, insbesondere dann nicht, wenn der Kolben sich am Hubende in der Nähe der Ein- und Auslaßöffnung befindet und eine Abgasdruckwelle zur Kolbenbetätigung erwartet, weil dadurch im Leerlaufbetrieb des Motors beim Anfall nur geringerer Abgasenergie das Abgas aus dem Lader entweichen kann, ohne den Kolben zu bewegen, zumal im Leerlauf des Motors ohnehin keine Betätigung des Laders erforderlich ist. Sobald jedoch die Abgasenergie so zunimmt, daß sie trotz des Ausströmspaltes am Auslaßventil den Kolben bewegt, kann die Abgasenergie dadurch optimal für den Laderbetrieb genutzt werden, daß sich nach einer geringen Kolbenbewegung der Auslaß zunächst vollständig schließt. Durch beliebige Variationen der Querschnitte von Ventilkörper und/oder Auslaßöffnung in deren Längsrichtung können beliebige Variationen des Hubverlaufs des Arbeitskolbens und insbesondere auch der Durchflußbeiwerte während des Kolbenhubs erreicht werden. Auch die Dämpfung der z. B. durch eine Rückstellfeder verursachte Kolbenbewegung kann variiert werden.

Zusätzliche Effekte können nach einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht werden, daß der Ventilkörper im Arbeitskolben in dessen Hubrichtung frei beweglich zwischen zwei Grenzstellungen geführt ist, in deren oberer er in den Arbeitskolben eintaucht und in deren unterer er zur schließenden Abdeckung des Abgasauslasses aus dem Arbeitskolben herausragt, oder durch zusätzliche Einrichtungen, die den Rückhub des Arbeitskolbens verzögern.

Es eröffnet sich durch die erfindungsgemäße Gestaltung zur Steuerung eines Kolbenladers eine Fülle von Möglichkeiten, für welche bei einem Zweitaktmotor keinerlei Bedarf besteht und für welche allein aus der Ausformung eines Ventilkörpers am Kolben eines Zweitaktmotors keine Anregung ausgeht. Da der zeitliche Verlauf und die Ausformung der Abgasdruckwelle vom Betriebszustand der sie erzeugenden Verbrennungsmaschine abhängig sind, ermöglicht die Erfindung in besonders vorteilhafter Weise eine automatische Anpassung an den jeweiligen Betriebszustand des zu ladenden Verbrennungsmotors.

Durch die freibewegliche Anordnung des Ventilkörpers im Arbeitskolben kann der Ventilkörper seine Stellung zum Arbeitskolben aufgrund seiner Massenträgheit verändern oder beibehalten, so daß sich ein sehr geringer konstruktiver Aufwand bei sehr vorteilhaften Öffnungs- und Schließpunkten ergibt. Beginnt der Kolben seinen Arbeitshub, bleibt der Ventilkörper 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 Ventilkörper in Richtung auf seine obere Grenzstellung beschleunigt, während der Arbeitskolben kurz darauf seinen Rückhub durchführt. Dabei bewegt sich der Ventilkörper zunächst noch in Richtung auf seine obere Grenzstellung. Sobald er diese erreicht hat, wird er vom Arbeitskolben in entgegengesetzter Richtung mitgenommen, wobei der Ventilkörper in den Arbeitskolben eingetaucht bleibt, bis der Arbeitskolben seinen Rückhub 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 feststehenden Ventilabschnitt des Abgasauslasses eingeführter Ausformung der Abstand zwischen dem Umfang der Ausformung und der Begrenzung des feststehenden Ventilabschnitts in Bewegungsrichtung 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 Totpunkt des Arbeitskolbens, als welcher der Totpunkt 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, das ungehinderte Abströmen des Abgases zu ermöglichen, während die mit zunehmender Drehzahl der Verbren­ nungskraftmaschine zunehmende Abgasenergie den Arbeitskolben aus dem unteren Totpunkt bewegen und dadurch aufgrund der Querschnittsunterschiede den Spaltquerschnitt verringern wird, um die Abgasenergie optimal für den Betrieb des Kolbenladers auszunützen, bis kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunkts die Ausformung den Ventilabschnitt verläßt und damit dessen vollen Querschnitt für das Ausströmen des entspannten Abgases freigibt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht, wie erwähnt, darin, daß dem Arbeitskolben eine seinen Rückhub verändernde, vorzugsweise verzögernde Einrichtung zugeordnet ist. Durch die Verzögerung wird erreicht, daß der Abgasauslaß relativ lang geöffnet bleibt, um den entspannten Abgas ein möglichst voll­ ständiges Abströmen aus dem Zylinder 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 erfolgen, welche den Kolben zeitweilig in dem vom Abgasauslaß entfernten Totpunkt festhält, oder durch eine Einrichtung, welche geeignet ist, die Geschwindigkeit des Rückhubs des Arbeitskolbens im Vergleich zur Geschwindigkeit des Arbeitshubs zu verzögern. Eine zweckmäßige Ausführungsform einer solchen Einrichtung 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 Rückschlagventil mit großem Druchströmquerschnitt und einer Drosselöffnung versehen ist. Beim Rückhub des Arbeitskolbens schließt sich das Rückschlagventil und die durch die Volumenänderung der Dämpfungskammer verursachte Strömung erfolgt ausschließlich 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 Kompressionskammer angeordnet sein, deren Volumen sich während des Arbeitshubs des Arbeitskolbens verringert. Durch den sich während des Arbeitshubs in der Kompressionskammer aufbauenden Druck wird die Rückstellkraft für den Arbeitskolben gespeichert. Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann die Kompressionskammer über einen einstellbaren Druckregler mit einem Druckspeicher verbunden sein, so daß die Möglichkeit 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 Ar­ beitskolben in dem vom Abgasauslaß abgewandten Totpunkt eine lösbare Sperre zugeordnet. Dabei besteht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung darin, daß der Kolbenlader zwei zu gemeinsamer Bewegung unlösbar miteinander verbundene, jeweils einen Ent­ spannungsraum begrenzende Arbeitskolben umfaßt, die alternierend und gegenläufig mit Abgasdruckwellen beaufschlagbar angeordnet sind, und daß die dem jeweils einen Arbeitskolben zugeordnete Sperre durch die den jeweils anderen Arbeitskolben beaufschlagende Abgasdruckwelle 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 Ar­ beitskolben verbunden ist, daß sie zugleich mit dem Arbeitskolben eine ihrer beiden Endstellungen einnimmt.

Durch diese Ausführungsform, welche sich insbesondere auch für die Variante mit zwei zu gemeinsamer Bewegung verbundende, alternierend beaufschlagte Arbeitskolben eignet, wobei die Federanordnung beiden Arbeitskolben gemeinsam zugeordnet ist, wird nach der Hälfte des Arbeitshubs die labile Mittelstellung überschritten und die in Richtung auf die stabilen Endstellungen wirkende Kraft der Feder unterstützt die Kolbenbewegung in der jeweils eingeschlagenen Richtung. Falls bei Teillastbetrieb der Verbrennungs­ kraftmaschine die arbeitsfähige Energie der Abgasdruckwelle nicht ausreicht, einen vollständigen Arbeitshub des Arbeitskolbens durchzuführen, ist es bereits ausreichend, wenn die Abgasdruckwelle den Arbeitskolben über die Häfte des Kolbenhubs bewegt, weil dann die Federanordnung den Kolben bis in seine Endstellung bewegt und den ihm zugeordneten Abgasauslaß bis zum Eintreffen der nächsten, entgegengesetzt gerichteten, auf den anderen Kolben gerichteten Ab­ gasdruckwelle geöffnet hält. Zugleich unterstützt die Federanordnung das vollständige Ausschieben des entspannten Abgases und schließlich hält sie den Arbeitskolben beim Eintreffen von Abgasdruckwellen 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 ermöglicht.

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

Es zeigt

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

Fig. 2 einen der Fig. 1 ähnlichen Axialschnitt, wobei sich der Kolben im oberen Totpunkt 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. 5 einen Axialschnitt durch eine Ausführungs­ form mit Rückhubverzögerung,

Fig. 6 einen Axialschnitt durch eine Doppelkolbenanordnung zur Rückhubverzögerung,

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

Fig. 8 eine Variante mit im Kolben beweglich gelagertem Schließkörper.

Ein Zylinder einer als abgasgetriebener Lader einer Verbrennungskraftmaschine 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 geführt ist, und durch eine untere Stirnfläche 20.

Die obere Stirnfläche ist mit einem Ladelufteinlaßventil 22 und einem Ladeluftauslaßvenil 24 versehen, die in Form von Rückschlagventilen ausgeführt sind.

Die untere Stirnfläche 20 ist mit einem Abgaseinlaß 26 und einem Abgasauslaß 28 versehen. Der Abgasauslaß 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, befindet 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 Abgasauslaß 28 benachbarte, als "unterer Totpunkt" bezeichnete Endstellung zu überführen.

Trifft in dieser in Fig. 1 gezeigten Stellung des Arbeitskolbens 12 über die Leitung 30 eine Abgasdruckwelle am Abgaseinlaß 26 ein, die über ausreichende arbeitsfähige Energie verfügt, so wird der Arbeitskolben 12 in seine in Fig. 2 gezeigte obere, als "oberer Totpunkt" bezeichnete Endstellung bewegt, sofern die arbeitsfähige Energie der Abgasdruckwelle durch Entspannung des Abgases im Zylinder 10 nutzbar gemacht werden kann. Es muß also verhindert werden, daß das Abgas ungenützt aus dem Abgasauslaß 28 abfließen kann.

Zu diesem Zweck ist an der der unteren Stirnfläche 20 des Zylinders 10 zugewandten Seite des Arbeitskolbens 12 dieser mit einer Ausformung 34 versehen, die im unteren Totpunkt des Arbeitskolbens 12 in den Abgasauslaß 28 hineinragt. Im Bereich des Abgasauslasses 28 schließt sich an dessen Mündung 38 im Innenraum 40 des Zylinders 10 ein in Richtung des Kolbenhubs verlaufender Ventilabschnitt 42 an, in den in die Ausformung 34 auf eine gewisse Länge eindringt, wenn sich der Arbeitskolben 12 im unteren Totpunkt befindet.

Dadurch wird erreicht, daß die Ausformung 14 den Querschnitt des Ventilabschnitts 42 bzw. des Abgas­ auslassers 28 so lange zumindest annähernd schließt, bis der Arbeitskolben 12 einen wesentlichen Teil seines vom unteren zum oberen Wendepunkt führenden Arbeitshubs durchgeführt hat.

In den Fig. 1 und 2 ist der Ventilabschnitt 42 von einer zylindrischen Wandung 44 begrenzt und die Aus­ formung 34 am Arbeitskolben 12 ist ebenfalls zylindrisch ausgebildet, 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 geöffnet bleibt. Der Spalt 46 ist so bemessen, daß das zwischen den aufeinanderfolgenden Abgasdruckwellen während der gewollten Wartestellung des Arbeitskolbens 12 von der Verbrennungs­ kraftmaschine noch ausgeschobene oder bei Leerlauf anfallende Abgas ohne Betätigung des Arbeitskolbens 12 durch den Spalt 46 des Abgasauslasses 28 entweichen kann.

Damit der dem Abgaseinlaß 26 und dem Abgasauslaß 28 zugewandte Kolbenboden 48 das Überströmen des Abgases vom Abgaseinlaß 26 zum Abgasauslaß 28 während des Leerlaufbetriebs 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 Stirnfläche 20 ausgebildete und zur Zylinderachse konzentrisch angeordnete Vertiefung 50, in welche der Abgaseinlaß 26 und der Abgasauslaß 28 münden.

Der Spalt 46 ist von Bedeutung, wenn der Arbeitskolben 12 sich im unteren Wendepunkt befindet. Sobald die arbeitsfähige Energie der eintreffenden Abgas­ druckwelle genützt werden soll, um den Arbeitskolben 12 gegen den oberen Totpunkt zu bewegen, soll diese 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 bewegt. Die Fig. 4 zeigt eine Ausbildung der Ausformung 34 und des Ventilabschnitts 42, die dieser Forderung entspricht. Die Mündung 38 des Ventilabschnitts 42 ist als Einschnürung ausgebildet, die an den Druchmesser 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 ring­ förmigen Nut 52 versehen, deren axiale Ausdehnung größer ist als die der eingeschnürten Mündung 38 und die in axialer Richtung mittig zur eingeschnürten Mündung 38 ausgerichtet ist, wenn sich der Arbeitskolben 12 im unteren Totpunkt befindet, so daß die Nut 52 eine Umströmung der Einschnürung ermöglicht. In Durchströmrichtung folgt auf die eingeschnürte Mündung 38 eine Querschnittserweiterung 54 des Ventilabschnitts 42, so daß ein den ungehinderten Abgas­ fluß ermöglichender Ringspalt 46 zwischen dieser Querschnittserweiterung 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 eingeschnürten 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 kann. 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 Abströmen 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 verminderter Geschwindigkeit erfolgt, oder indem alternativ oder zusätzlich der Arbeitskolben nach Beendigung des Arbeitshubes 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 Dämp­ fungskolbens 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 Rückschlagventil 66 mit relativ großem Durchflußquerschnitt angeordnet, welches ein ungehindertes Einströmen eines Strömungsmittels während des Arbeitshubs gestattet, sich aber bei der rückläufigen Kolbenbewegung schließt. Parallel zu diesem Rückschlagventil 66 ist eine Drosselöffnung 68 angebracht. Da beim Rückhub des Arbeitskolbens 12 das in der Dämpfungskammer 64 befindliche Strömungsmittel über die Drosselöffnung ausströmen muß, wird der Rückhub nach Maßgabe des Drosselquer­ schnitts verlangsamt.

Auf der von der Dämpfungskammer 64 abgwandten 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 Druckregelvorrichtung 72 mit einem Druckspeicher 74 verbunden sein, wodurch sich der Druck in der Kompressionskammer 70 nach den jeweiligen Betriebsverhältnissen einstellen läßt.

Eine andere Lösung der Rückhubverzögerung zeigt die Fig. 6, in der zwei koaxial angeordnete Zylinder 10 und 110 einer als Lader dienenden Kolbenmaschine dargestellt sind. In jedem Zylinder 10 und 110 ist jeweils ein Arbeitskolben 12 bzw. 112 angeordnet. Beide Arbeitskolben 12 und 112 sind durch eine gemeinsame Kolbenstange 14 miteinander unlösbar verbunden. Auf ihrer von der Kolbenstange 14 abgewandten Seite sind die beiden Arbeitskolben 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 vorstehend 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 ankommenden Abgasdruckwellen alternierend und gegenläufig beide Arbeitskolben 12 und 112 beaufschlagen.

Eine insgesamt mit 80 bezeichnete Federanordnung weist eine Druckfeder 82 auf, die auf einer schwenkbaren Federführung 84 angeordnet ist. Die Federführung 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 Arbeitskolben 12 und 112 einen Sektor bestreicht, dessen Winkelhalbierende die Achse der beiden Zylinder 10 und 110 unter einem rechten Winkel schneidet. Mit anderen Worten: wenn die Kolben 12 und 112 die Häfte ihres Hubs zurückgelegt haben, verläuft die Federführung 84 unter einem rechten Winkel zur Zylinderachse. Die sich einerseits gegen die Kolbenstange 14 und andererseits gegen Widerlager 88 auf der Federführung abstützende Druck­ feder 82 ist somit bei halbem Kolbenhub auf ihre geringste Länge zusammengedrückt 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 jeweilige Kolbenbewegung und drückt die Kolben gegen den einen oder anderen Totpunkt.

Die arbeitsfähige Energie einer beispielsweise den Arbeitskolben 12 beaufschlagenden Abgasdruckwelle 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 84 unterstützt und der Arbeitskolben 12 in seinen oberen Totpunkt gedrückt, wodurch zugleich der Kolben 112 in seinen unteren Totpunkt zurückgeführt wird.

Unter Wirkung der Druckfeder 82 verbleibt der Arbeitskolben 12 im oberen Totpunkt, weil die Feder­ anordnung 80 sich in einer stabilen Endstellung befindet und ihn festhält. Der Abgasauslaß 28 bleibt geöffnet und das entspannte Abgas kann ungehindert ausströmen.

Der nächste Abgasimpuls beaufschlagt den Arbeitskolben 112, wodurch gegebenenfalls die sperrende Kraft der Druckfeder 84 überwunden und dadurch der Arbeitskolben 12 in seinen unteren Totpunkt zurückgeführt wird, während anschließend der Arbeitskolben 112 in seinem oberen Totpunkt festgehalten wird und der Zyklus sich wiederholt, solange die arbeitsfähige Energie des Abgasimpulses in der Lage ist, eine Kolbenbewegung hervorzurufen.

Um die Kraft der Druckfeder 82 einzustellen, ist vor­ zugsweise das Widerlager 88 auf der Federführung 84 verstellbar.

In Fig. 7 sind lediglich beispielsweise unterschiedliche 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 erreicht 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 ergibt sich eine "unsymmetrische" Öffnungscharakteristik des Ventils bezogen auf die Wendepunkte des Arbeitskolbens 512. Im Arbeitskolben 512 ist eine zur Achse des Zylinders 10 koaxial angeordnete Kammer 559 ausgebildet, die eine im Boden 548 des Arbeitskolbens 512 angeordnete Öffnung 51 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 angepaßten Bund 563 an seinem in Bezug auf die Kammer 559 inneren Ende in axialer Richtung in der Kammer 559 geführt wird. Wenn der Schließkörper 543 vollständig in die Kammer 559 eingeschoben ist, wobei sein äußeres Ende noch im Bereich der Öffnung 561 geführt ist, besteht zwischen dem Bund 563 und einer durch die Querschnittserweiterung der Kammer 559 gegenüber der Öffnung 561 gebildeten, diesem Bund 563 zugewandten Anschlagschulter 565 ein axialer Abstand, der etwas geringer ist als die Hublänge des Arbeitskolbens 512. Der Abstand entspricht der Weglänge, die der Arbeitskolben 512 zurücklegt, bevor gegen Ende des Arbeitshubs der Abgasauslaß geöffnet wird.

Befindet sich, wie in Fig. 8 dargestellt, der Arbeitskolben 512 in der auch als "unterer Totpunkt" bezeichneten Ruhestellung, ragt der Schließkörper 543 etwas in den Abgasauslaß 28. Der Bund 563 liegt auf der Anschlagschulter 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 seinen Arbeitshub und der Schließkörper 543 wurde 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 zunächst unter dem Einfluß der Massenträgheit weiter nach oben, bis er am oberen Ende der Kammer 559 anschlägt, 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 Arbeitskolben 512 seinen unteren Totpunkt erreicht hat.

Claims (17)

1. Durch die Abgasenergie einer Verbrennungs­ kraftmaschine antreibbarer Kolbenlader, der mindestens einen durch einen beweglichen Arbeitskolben begrenzten Entspannungsraum aufweist, dessen dem Kolben gegenüberliegende Begrenzung mit mindestens einem Abgaseinlaß und Abgasauslaß versehen ist, wobei der Abgasauslaß mit einem steuerbaren, einen seinen Fließquerschnitt zumindest teilweise öffnenden und schließenden, beweglichen Ventilkörper aufweisenden Ventil versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil im Takt der sich aus der Verbrennung in jeweils einem Zylinder des Verbrennungsmotors ergebenden Abgasdruckwellen steuerbar ist und daß der Ventilkörper am Arbeitskolben (12; 112; 512) auf dessen dem Abgasauslaß (28; 128) zugewandter Seite angeordnet ist und zumindest während eines Teils der Kolbenbewegung in den Abgasauslaß (28; 128) hineinragt und dessen Querschnitt zumindest teilwesie ausfüllt.

2. Kolbenlader nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ventilkörper eine fest mit dem Arbeitskolben (12, 112) verbundenen Ausformung (34, 134) ist.

3. Kolbenlader nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ventilkörper (543) im Arbeitskolben (512) in dessen Hubrichtung frei beweglich zwischen zwei Grenzstellungen geführt ist, in deren oberer er in den Arbeitskolben (512) eintaucht und in deren unterer er zur schließenden Abdeckung des Abgasauslasses (28) aus dem Arbeitskolben (512) herausragt.

4. Kolbenlader nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich bei vollständig in den zur Aufnahme der Ausformung (34; 134) bestimmten festehenden 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 feststehenden 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, zwischen dem Umfang der Ausformung (34; 134) und der Begrenzung (44) des Ventilabschnitts (42; 142) ein Ausströmspalt (46) geöffnet ist.

6. Kolbenlader nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausströmquerschnitt des Abgasauslasses (28; 128) geschlossen ist, wenn der Arbeitskolben (12; 113) 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 Arbeitskolbens (12) konstant ist.

8. Kolbenlader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des feststehenden Ventilabschnitts (42) des Abgasauslasses (28; 128) in Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens (12) konstant ist.

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

10. Kolbenlader nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Rückhubverzögerung eine Einrichtung (80) vorgesehen ist, die geeignet ist, den Arbeitskolben (12; 112) zeitweilig in dem vom Abgasauslaß (28) abgelegenen Totpunkt der Kolbenbewegung festzuhalten.

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

12. Kolbenlader nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie zwei zu gemeinsamer Bewegung unlösbar miteinander verbundene, jeweils einen Entspannungsraum begrenzende Arbeitskolben (12; 112) umfaßt, die alternierend und gegenläufig mit Abgasdruckwellen beaufschlagbar angeordnet sind, und daß die dem jeweils einen Arbeitskolben (12; 112) zugeordneten Sperre (80) durch die den jeweils anderen Arbeitskolben (12; 112) beaufschlagenden Abgasdruckwellen lösbar ist.

13. Kolbenlader nach einem der Ansprüche 11 oder 12, 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 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 Dämpfungskolben (60) verbunden ist, der in einem Zylinder (62) beweglich angeordnet ist und im Zylinder (62) eine in ihrem Volumen veränderliche Dämpfungskammer (64) begrenzt, die mit einem sich während des Ar­ beitshubs öffnenden Rückschlagventil (66) mit großem Durchströmquerschnitt und einer Drosselöffnung (68) versehen ist.

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

17. Kolbenlader nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kompressionskammer (70) über einen einstellbaren Druckregler (72) mit einem Druckspeicher (74) verbunden ist.