DE3625053A1 - Durch die abgasimpulse einer verbrennungskraftmaschine antreibbarer kolbenlader - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen durch die Abgasimpulse einer Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Kolbenla­ der, der mindestens einen durch einen beweglichen Ar­ beitskolben begrenzten Entspannungsraum aufweist, des­ sen dem Kolben gegenüberliegende Begrenzung mit min­ destens einem Abgaseinlaß und Abgasauslaß versehen ist, wobei der Abgasauslaß mit einem im Takt der Ab­ gasimpulse steuerbaren, seinen Fließquerschnitt zumin­ dest teilweise öffnenden und schließenden Ventil ver­ sehen ist, das einen durch den Arbeitskolben betätig­ baren Schließkörper aufweist.

Damit die arbeitsfähige Energie der am Kolbenlader eintreffenden Abgase optimal ausgenützt werden kann, ist eine Steuerung des Abgasauslasses erforderlich, weil andernfalls ein Großteil der Abgase aus dem Ent­ spannungsraum ausfließen kann, ohne Arbeit zu verrich­ ten.

Es ist bereits bekannt, zu diesem Zweck auf der Aus­ laßseite eine Ventilsteuerung anzuordnen, die direkt von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Dies führt zu komplexen und dadurch teueren Konstruk­ tionen, die außerdem die Freizügigkeit bei der räum­ lichen Anordnung des Kolbenladers relativ zur Ver­ brennungskraftmaschine behindern. Außerdem ist eine Anpassung des Kolbenladers an die Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine erwünscht, die bei einer Ventilsteuerung direkt von der Verbrennungskraftma­ schine aus nicht automatisch durchführbar ist, es sei denn durch eine zusätzliche, teuere Steuerung.

Durch die DE-OS 21 39 932 ist eine durch Abgase einer Verbrennungskraftmaschine betriebene Kolbenmaschine be­ kannt, deren Entspannungsraum mit einem Einlaß- und einem Auslaßventil versehen ist, wobei beide Ventile wechselweise durch einen gemeinsamen Schließkörper ge­ schlossen werden, der als Wippe ausgebildet ist, die durch eine Feder belastet und in die eine oder andere zweier stabiler Endstellungen gespannt ist. Die Wippe wird durch eine mit dem Arbeitskolben verbundene Um­ schaltvorrichtung gegen Ende des Kolbenhubs über den Totpunkt gedrückt und schnappt dann in die jeweils an­ dere Endstellung.

Bei dieser bekannten Kontruktion werden die Abgasimpulse zur Betätigung des Arbeitskolbens vom Einlaßventil er­ zeugt, das gegen das Ende des Arbeitshubs geschlossen und gegen das Ende des Rückhubs wieder geöffnet wird. Abgesehen von der Anordnung einer umfangreichen Mecha­ nik im Entspannungsraum, welche einer einfachen und platzsparenden Konstruktion gegenübersteht, ist eine den jeweiligen Einsatzbedingungen entsprechende optimale Anpassung durch Beeinflussung des zeitlichen Druckver­ laufs innerhalb des Entspannungsraums nicht möglich. Insbesondere besteht keine Möglichkeit, Abgaseinlaß und Abgasauslaß zugleich geöffnet zu halten, was in bestimm­ ten Betriebssituationen erwünscht sein kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst geringem Aufwand eine zuverlässige Steuerung des Kolben­ laders zur optimalen Ausnützung der arbeitsfähigen Ener­ gie der Abgasimpulse, insbesondere auch der natürlichen Abgasimpulse der Verbrennungskraftmaschine zu ermögli­ chen, wobei zugleich eine automatische Anpassung des Kolbenladers an den herrschenden Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine erreichbar sein soll. Außer­ dem soll sich die Konstruktion dazu eignen, möglichst große Strömungsquerschnitte und einen zentralen Abgas­ auslaß bei möglichst geringem Platzbedarf vorzusehen. Schließlich soll durch einfache konstruktive Änderun­ gen eine optimale Anpassung an die jeweiligen Einsatz­ bedingungen möglich sein.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Kolbenlader der eingangs genannten Art darin, daß Arbeitskolben und Schließkörper über eine beim Erreichen zumindest einer vorgegebenen Endstellung des Ventils lösbare Kupplung zu zeitweiliger gemeinsamer Bewegung verbunden sind.

Beim Eintreffen eines Abgasimpulses mit ausreichender arbeitsfähiger Energie wird der Arbeitskolben aus sei­ ner Ruhestellung angehoben, in welcher er sich nahe der mit dem Abgaseinlaß und dem Abgasauslaß versehenen Be­ grenzung des Entspannungsraums befindet. Nach einem dem jeweiligen Einsatzzweck anzupassenden Bewegungsgesetz wird die Bewegung des Arbeitskolbens zur Betätigung des Ventils eingesetzt; insbesondere kann das Ventil sofort geschlossen werden, wenn der Abgasimpuls den Arbeitskolben anhebt, um die arbeitsfähige Energie op­ timal zur Bewegung des Arbeitskolbens auszunützen. Insbesondere kann die Übertragung der Kolbenbewegung auf die Ventilbetätigung zeitweilig unterbunden und dadurch der zeitliche Druckverlauf im Zylinder des Kol­ benladers beeinflußt und 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 Schließ­ körper zwischen seine Öffnungs- und seine Schließstel­ lung definierenden Anschlägen bewegbar ist, es kann aber auch nach einer anderen zweckmäßigen Ausführungs­ form ein den Schließkörper bewegendes Stellglied durch eine ortsfeste, beim Erreichen einer Stellkraftschwelle lösbare Kupplung gehalten und über eine ein Spiel in Hubrichtung aufweisende Mitnehmerverbindung mit dem Arbeitskolben zur Verschiebung gegenüber der ortsfe­ sten Kupplung kuppelbar sein, wobei die beim Erreichen der Stellkraftschwelle lösbare Kupplung eine Reibungs­ kupplung sein kann.

Eine andere, sehr vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß der Schließkörper im Arbeitskolben in des­ sen Hubrichtung zwischen zwei Grenzstellungen freibe­ weglich geführt ist, in deren oberer er vollständig 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 das Ventil während des Arbeitshubs des Arbeitskolbens in seiner Schließstel­ lung 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 Fe­ deranordnung bei dem Abgasauslaß benachbarter Ein­ stellung des Arbeitskolbens unter Bildung eines Aus­ laßspaltes den Schließkörper geringfügig vom Abgas­ auslaß abhebt, so daß die Abgasimpulse ohne Betäti­ gung des in Ruhestellung befindlichen Arbeitskolbens über den Abgasauslaß abgeleitet werden können, wenn sie, insbesondere im Leerlaufbetrieb der Verbrennungs­ kraftmaschine, nur eine geringe arbeitsfähige Energie enthalten.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert. In Verbindung mit den An­ sprüchen ergeben sich aus dieser Beschreibung weitere vorteilhafte bzw. zweckmäßige Ausgestaltungen der Er­ findung.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch den Zylinder einer als Lader dienenden Kolben­ maschine mit einer Drehklappe als Schließ­ körper eines den Abgasauslaß steuernden Ventils,

Fig. 2 die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform vor dem Beginn des Rückhubs des Arbeits­ kolbens,

Fig. 3 einen der Fig. 1 ähnlichen Axialschnitt bei einer weiteren Ausführungsform mit tellerförmigem Schließkörper während des Arbeitshubs,

Fig. 4 einen Axialschnitt durch die Ausführungs­ form nach Fig. 3 während des Rückhubs des Kolbens,

Fig. 5 einen der Fig. 4 ähnlichen Axialschnitt durch noch eine andere Ausführungsform mit tellerförmigem Schließkörper während des Rückhubs des Arbeitskolbens,

Fig. 6 einen Axialschnitt durch eine weitere Aus­ führungsform in Ruhestellung,

Fig. 7 einen Axialschnitt durch eine weitere Aus­ führungsform während des Arbeitshubs des Kolbens,

Fig. 8 einen Axialschnitt durch eine Variante der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform eben­ falls während des Arbeitshubs des Arbeits­ kolbens,

Fig. 9 einen Axialschnitt durch noch eine weitere Ausführungsform in Ruhestellung,

Fig. 10 die Ausführungsform nach Fig. 9 zu Beginn des Arbeitshubs des Arbeitskolbens,

Fig. 11 die Ausführungsform nach Fig. 10 vor Be­ endigung des Arbeitshubs des Arbeitskolbens,

Fig. 12 einen Axialschnitt durch eine Variante der in Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform während des Arbeitshubs des Arbeitskolbens Fig. 13 einen Axialschnitt durch die in Fig. 12 gezeigte 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 212, der mit einer Kolbenstange 214 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 Kolbenstange 214 nach außen geführt ist, und durch eine untere Stirnfläche 20.

Die obere Stirnfläche 18 ist mit einem Ladelufteinlaß­ ventil 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 Abgasauslaß 28 ist in Bezug auf die Zylinderachse konzentrisch ange­ ordnet, der Abgaseinlaß 26, der über eine Leitung 30 mit Abgasimpulsen von einer nicht dargestellten Ver­ brennungskraftmaschine versorgt werden kann, befindet sich seitlich vom Abgasauslaß.

Der Arbeitskolben 212 befindet sich in Ruhestellung un­ ter dem Einfluß einer Rückstelleinrichtung in einer dem Abgaseinlaß 26 und dem Abgasauslaß 28 benachbar­ ten, nachfolgend auch als "unterer Totpunkt" bezeichne­ ten Stellung. Die Rückstelleinrichtung kann beispiels­ weise aus einer Rückstellfeder 32 bestehen.

Trifft in der Ruhestellung des Arbeitskolbens 12 am Ab­ gaseinlaß 26 ein Abgasimpuls ein, der über eine ausrei­ chende, arbeitsfähige Energie verfügt, so wird der Ar­ beitskolben 212 in einem Arbeitshub in Richtung auf seine der oberen Stirnfläche 18 benachbarte, nachfolgend auch als "oberer Totpunkt" bezeichnete Endstellung 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 abfließen kann. Andererseits sollte das entspannte Abgas nach dem Ar­ beitshub des Arbeitskolbens 212 möglichst vollständig aus dem Zylinder 10 ausströmen. Auch beim Eintreffen von Abgasimpulsen mit geringer arbeitsfähiger Energie, wie etwa im Leerlaufbetrieb der Verbrennungskraftma­ schine, soll das Abgas ungehindert aus dem Abgasaus­ laß 28 ausströmen können.

Es ist deshalb in der unteren Stirnfläche 20 zwischen dem Abgaseinlaß 26 und dem Abgasauslaß 28 eine Mulde 50 ausgebildet, so daß in der Ruhestellung des Arbeits­ kolbens 12 das Abgas unter dem Kolbenboden 248 vom Abgas­ einlaß 26 zum Abgasauslaß 28 strömen kann. An die Mulde 50 schließt sich im Abgasauslaß 28 ein Ventilabschnitt 42 mit einer zylindrischen Wandung 44 an, der von einer Drehachse 41 diametral durchquert wird. Auf der Dreh­ achse 41 ist eine kreisscheibenförmige Ventilklappe 43 angebracht, die über eine an dieser Ventilklappe 43 und dem Arbeitskolben 12 gelenkig angeschlossene Stell­ stange 45 verschwenkt wird, sobald der Arbeitskolben 212 sich im Zylinder 10 auf- und abbewegt. Jedoch besteht keine feste Verbindung zwischen dem Arbeitskolben 212 und der Ventilklappe 43, vielmehr ist die Stellstange 45 mit einer inneren Kolbenstange 247 verbunden, die un­ ter Reibungsschluß in Längsrichtung in der hohlen, mit dem Arbeitskolben 212 verbundenen Kolbenstange 214 ge­ führt ist. Der Ventilklappe 43 ist im Ventilabschnitt 42 des Abgasauslasses 28 ein Anschlag 249 zugeordnet, der die Ventilklappe 43 in ihrer Schließstellung fest­ hält, wenn sie bei einem Arbeitshub des Arbeitskol­ bens 212 durch die sich nach oben bewegende Stellstan­ ge 45 im Uhrzeigersinn verschwenkt wird.

Wenn sich der Arbeitskolben aus der in Fig. 1 gezeig­ ten Stellung aus seinem unteren Totpunkt nach oben be­ wegt, wird zunächst die innere Kolbenstange 247 durch Reibungsschluß mit nach oben bewegt, so daß die Ven­ tilklappe 43 geschlossen wurde. Sobald die Ventil­ klappe 43 ihre Schließstellung einnimmt, kann die innere Kolbenstange 247 nicht mehr an der nach oben gerichteten Kolbenbewegung teilnehmen, es findet ein Schlupf zwischen der inneren Kolbenstange 247 und der äußeren Kolbenstange 214 statt, der anhält, bis der Arbeitskolben 212 den oberen Wendepunkt seiner Bewe­ gung erreicht, der bei hoher Abgasenergie mit dem obe­ ren Totpunkt zusammenfällt. Diesen oberen Totpunkt wird der Arbeitskolben umso leichter erreichen, als während des Arbeitshubs mit Ausnahme der Anfangsphase, welche zum Schließen des Abgasauslasses 28 durch die Ventilklappe 43 benötigt wird, der Abgasauslaß 28 ge­ schlossen bleibt (Fig. 2).

Sobald der Rückhub des Arbeitskolbens 212 einsetzt wird durch die bestehende Reibungsverbindung die innere Kolbenstange 247 soweit abwärts bewegt, daß sich die Ventilklappe 43 in die voll geöffnete, in Fig. 1 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 Totpunkt, bis zu Beginn eines neuen Arbeitshubs die Ventilklappe 43 wieder geschlossen wird.

Die Fig. 3 und 4 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. 3) 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 Totpunkt 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. 4 ersichtlich ist.

Bei der in Fig. 5 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 angeordnet, welche 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 Totpunkt 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 Totpunkt angelangt ist. Erst zu Beginn des Arbeitshubs wird der Abgasauslaß 28 vollständig in der beschriebe­ nen Weise geschlossen.

Die Funktionsweise dieser in Fig. 5 gezeigten Variante ist mit der des in den Fig. 1 und 2 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. 6 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. 6 dargestellt, der Arbeits­ kolben 512 in der auch als "unterer Totpunkt" 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 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.

Auch die in den Fig. 7 und 8 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 gewandten 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 verschlie­ ßenden 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 Totpunkt 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 gehoben wird.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Konstruktion handelt es sich um eine der Fig. 7 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. 9 bis 11 ist eine besonders einfache Kon­ struktion dargestellt, welche ebenfalls eine "unsymme­ trische" Öffnungscharakteristik für das den Abgas­ auslaß 28 steuernde Ventil ermöglicht.

In Fig. 9 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 dadurch einhält, daß das Führungsstück 769 an der ihm zugewandten Seite des Führungsstücks 789 anliegt bevor der Schließkörper 743 den Arbeitskolben 712 erreicht hat.

In der in Fig. 9 gezeigten Ruhestellung liegt der Arbeitskolben 712 an der unteren Stirnfläche 20 des Zylinders 10 an, der Schließkörper 743 ist durch die Druckfeder in seine dem Kolbenboden 748 benachbarte Stellung gezogen und hält dadurch einen geringen Ab­ stand vom Boden der Mulde 50, so daß der bereits mehrfach erwähnte Spalt für das Abströmen des Abgases bei Leerlaufbetrieb geöffnet bleibt.

Beim Eintreffen eines Abgasimpulses mit ausreichend arbeitsfähiger Energie wird durch den Abgasdruck der Schließkörper 743 gegen die Wirkung der Druckfeder 793 gegen den Boden der Mulde 50 gedrückt, wodurch der Abgasauslaß vollständig geschlossen wird, so daß die Abgasenergie optimal ausgenützt werden kann. Während 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 28 ist in Fig. 10 dargestellt.

Die Kraft der Druckfeder 793 wird vorzugsweise so be­ messen, daß der Abgasauslaß erst in der Endphase des Arbeitshubs des Arbeitskolbens 712 geöffnet wird. Die Situation unmittelbar vor dem durch die Feder 793 be­ wirkten Anheben des Schließkörpers 743 in seine Öff­ nungsstellung ist in Fig. 11 dargestellt. Man sieht in Fig. 11, daß sich das Führungsstück 769 um eine dem bis dahin zurückgelegten Weg des Arbeitskolbens 712 aus seiner Ruhestellung entsprechende Strecke von dem als Anschlag dienenden Führungsstück 789 entfernt hat, wobei die Feder 793 gespannt wurde, um den Abgas­ druck zu überwinden.

Eine Variante der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Aus­ führungsform ist in den Fig. 12 und 13 dargestellt, wobei mit der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Bei der Variante nach den Fig. 12 und 13 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 sog. unteren Totpunkt 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. 12 gezeigten Stellung relativ zum Bremsring 355 abzustützen.

Befindet sich der Arbeitskolben 312 in seinem unteren Totpunkt, 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 Totpunkt bewegt wird. 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. 15 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 (15)

1. Durch die Abgasimpulse einer Verbrennungskraft­ maschine antreibbarer Kolbenlader, der mindestens einen durch einen beweglichen Arbeitskolben begrenzten Entspannungsraum 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, seinem Fließquerschnitt zumindest teilweise öffnenden und schließenden Ventil versehen ist, das einen durch den Arbeitskolben betätigbaren Schließkörper aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß Arbeitskolben (212; 312; 412; 512; 612; 712) und Schließkörper (43, 343, 443, 543, 643, 743) über eine beim Erreichen mindestens einer vorgegebenen Endstellung des Ventils lösbare Kupplung (45, 247; 314, 343, 351; 412, 434, 445; 512, 563, 565; 612, 643) zu zeitweiliger gemeinsamer Bewegung verbun­ den sind.

2. Kolbenlader nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein den Schließkörper (43) bewegendes Stellglied (45) mit dem Arbeitskolben (212) über eine beim Erreichen einer Stellkraftschwelle lösbare Kupp­ lung (214, 247) verbunden und der Schließkörper zwi­ schen seine Öffnungs- und seine Schließstellung defi­ nierenden Anschlägen (41, 45; 249) bewegbar ist.

3. Kolbenlader nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein den Schließkörper (343) bewegendes Stellglied (345) durch eine ortsfeste, beim Erreichen einer Stellkraftschwelle lösbare Kupplung (355) gehal­ ten und über eine ein Spiel in Hubrichtung aufweisen­ de Mitnehmerverbindung (343, 351, 353) mit dem Ar­ beitskolben (312) zur Verschiebung gegenüber der orts­ festen Kupplung (355) kuppelbar ist.

4. Kolbenlader nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Erreichen einer Stellkraftschwelle lösbare Kupplung (214, 247; 355) eine Reibungskupplung ist.

5. Kolbenlader nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schließkörper (543) im Arbeitskol­ ben (512) in dessen Hubrichtung frei beweglich zwi­ schen zwei Grenzstellungen geführt ist, in deren obe­ rer er vollständig in den Arbeitskolben (512) ein­ taucht und in deren unterer er zur schließenden Ab­ deckung des Abgasauslasses (28) aus dem Arbeitskolben (512) herausragt.

6. Kolbenlader nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Schließkörper (643) und dem Arbeitskolben (612) eine einseitig in Richtung auf die Schließstellung des Schließkörpers gerichtete Mitnehmerverbindung (612, 643) besteht, daß der Schließ­ körper (643) in seiner Schließstellung durch eine selbsttätige Sperre (671) verriegelbar ist und in seine Öffnungsstellung vorgespannt ist, und daß die Sperre (671) durch den Arbeitskolben (612) in der Endphase des durch den Abgasimpuls verursachten Ar­ beitshubs lösbar ist.

7. Kolbenlader nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mitnehmerverbindung (612, 643) zwischen Arbeitskolben (612) und Schließkörper (643) derart ausgelegt ist, daß erst bei Beendigung des Rückhubs das Ventil seine geschlossene Stellung ein­ nimmt.

8. Kolbenlader nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen Stellglied (445) und Arbeitskol­ ben (412) ein Umkehrmechanismus (457) zur gegenläufi­ gen Verbindung von Stellglied (445) und Arbeitskolben (412) angeordnet ist.

9. Kolbenlader nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schließkörper (743) den Abgasauslaß (28) überdeckt und durch eine Federanordnung (793) in Richtung auf den dem Abgasauslaß zugewandten Boden (748) des Arbeitskolbens belastet ist.

10. Kolbenlader nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ kennzeichnet, daß der Schließkörper (743) durch die Federanordnung (793) in Richtung auf einen am Arbeits­ kolben (712) angeordneten Anschlag belastet ist, wobei zwischen dem Schließkörper und dem Arbeitskolben (712) ein Abstand freigehalten ist, wenn der Schließkörper (743) am Anschlag anliegt.

11. Kolbenlader nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung einerseits am Arbeitskolben (712) und andererseits am Schließkörper (743) angeordnete, in Hubrichtung des Arbeitskolbens einen Abstand voneinander aufweisende Mitnehmer (769, 791) umfaßt, zwischen denen ein Fe­ derelement (793) derart angeordnet ist, daß es be­ strebt ist, den Arbeitskolben (712) und den Schließ­ körper (743) in ihre eng benachbarte Stellung zu be­ wegen.

12. Kolbenlader nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung (793) bei dem Abgasauslaß (28) benachbarter Endstellung des Arbeitskolbens (712) unter Bildung eines Auslaßspal­ tes den Schließkörper (743) geringfügig vom Abgasaus­ laß (28) abhebt.

13. Kolbenlader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, oder 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließkörper eine Drehklappe (43) ist, die um eine den Abgasauslaß querende Achse (41) zwischen einer Schließ­ und einer Öffnungsstellung verschwenkbar ist.

14. Kolbenlader nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließkörper (343) durch eine Feder (337) in einer den Abgasauslaß (28) zumindest teilweise freigebenden Stellung entge­ gen der Schließrichtung abgestützt ist.

15. Kolbenlader nach Anspruch 14, 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.