DE4243614A1 - Vorrichtung zur dynamischen Spülung der Brennkammer eines Freikolbenmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dynamischen Spülung der Brennkammer eines Freikolbenmotors, wie er insbesondere in tragba­ ren, brennkraftbetriebenen Arbeitsgeräten, wie Setzgeräten für Befesti­ gungselemente, eingesetzt wird.

Brennkraftbetriebene Setzgeräte mit Einzylinder-Freikolbenmotor sind in einer Reihe von Ausführungsformen bekannt; vgl. beispielsweise die Druckschriften US-A-4 759 318 und DE-A-40 32 202. Wie diese beiden Druckschriften verdeutlichen, wurden in den vergangenen Jahren erheb­ liche Anstrengungen unternommen, um einerseits die Setzenergie des Ar­ beitsgeräts durch Optimierung des Verbrennungsprozesses, aber auch durch Verbesserung der Spülung der Restgase zu erhöhen. Andererseits waren Entwicklungsanstrengungen darauf gerichtet, solche Geräte räum­ lich kompakter zu gestalten und deren Gewicht zu reduzieren. Bei dem in der genannten DE-A-Druckschrift beschriebenen Gerät beispielsweise werden die Ab- bzw. Restgase aus der Brennkammer durch verschiebbare Wandabschnitte entfernt, durch Reduzieren des Brennkammervolumens auf Null oder annähernd Null. Obwohl der dadurch erreichbare Spülgrad für die Brennkammer vor der Einleitung des für den nächsten Arbeitshub des Kolbens erforderlichen Luft-/Brennstoffgemischs recht gut ist, erfor­ dert die bekannte Lösung einen ziemlich hohen konstruktiv-mechani­ schen Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Spülvorgang zur Beseiti­ gung der Restgase aus der Brennkammer eines Freikolbenmotors, wie er insbesondere für Setzgeräte verwendet wird, zu verbessern mit einer tech­ nischen Lösung, die hohe Funktionssicherheit bei einfacher konstruktiver Gestaltung gewährleistet.

Eine Vorrichtung zur dynamischen Spülung der Hauptkammer eines Frei­ kolbenmotors ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine den Brenn­ kammerzylinder umgebende axial verschiebliche Ventilhülse, die in einer Schließstellung wenigstens eine oberhalb des unteren Totpunkts des Ar­ beitskolbens vorhandene, die Zylinderwand durchsetzende Abblasöff­ nung für Rauchgase überdeckt, durch eine auf die Ventilhülse wirkende und diese in ihre Schließstellung drückende Kraftquelle sowie durch eine Einrichtung, welche die Ventilhülse im Verlauf eines Verbrennungspro­ zesses in der Brennkammer soweit verschiebt, daß die Abblasöffnung frei ist und diese Offenstellung der Ventilhülse mindestens so lange hält, bis der Arbeitskolben beim Arbeitshub die Abblasöffnung überfahren und aufgrund des in der Brennkammer entstandenen Druckabfalls ein Luft- Einlaßventil geöffnet hat und ein dadurch bewirkter Saugwellen-Spülvor­ gang für die Brennkammer abgeschlossen ist.

Als Kraftquelle, welche die Ventilhülse in die Schließstellung drückt, dient vor allem eine Druckfeder. Bei einer vorteilhaften Lösung wird die Ventil­ hülse durch den in der Brennkammer bei einem Arbeitshub entstehenden Druck verschoben. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß zwischen der Ventilhülse und der Brennkammerzylinderwand eine abgedichtete Ring­ kammer oder Teilringkammer vorgesehen ist, die über eine Verbindungs­ bohrung durch die Zylinderwand mit der Brennkammer in Verbindung steht, so daß der bei der Zündung des Gas-/Luftgemischs in der Brenn­ kammer entstehende Druck in die Ringkammer (oder Teilringkammer) übertragen wird. Mindestens ein zur auf die Ventilhülse in deren Schließ­ stellung wirkende Verschiebekraftrichtung schräg oder quer liegender Flächenabschnitt der Ring- oder Teilringkammer ist vorzugsweise so be­ messen, daß die aufgrund des Verbrennungsdrucks in der Ring- oder Teil­ ringkammer aufgebaute Druckkraft die Ventilhülse entgegen der Kraft­ quelle, also insbesondere entgegen der Kraft der Druckfeder verschiebt. Diese als Differenzkraft-Flächenabschnitte bezeichneten Wandbereiche der Ring- oder Teilringkammer sowie die Verbindungsbohrung durch die Brennkammerzylinderwand sind vorteilhafterweise so bemessen, daß ein Abbau des Druckpotentials in der Ringkammer verzögert erfolgt, und zwar so verzögert, bis die durch die Druckfeder ausgeübte Verstellkraft die in der Ringkammer aufgebaute Druckkraft wieder übersteigt und die Ventil­ hülse erst dann in die Schließstellung verschiebt, wenn die Saugwellen­ spülung der Brennkammer abgeschlossen und ausreichend Frischluft für einen nachfolgenden Verbrennungsprozeß in die Brennkammer über das Lufteinlaßventil eingeströmt ist.

Die Bemessung der Differenzkraft-Flächenabschnitte bzw. der genannten Verbindungsbohrung wird beispielsweise so gewählt, daß die Ventilhülse für eine Dauer von 30-100 ms offen bleibt, d. h. eine Zeitspanne, die aus­ reicht, um eine weitgehend vollständige Ausspülung der Restgase aus der Brennkammer zu gewährleisten.

Sofern die Abblaßöffnung(en) im unteren Totpunktbereich des Arbeits­ kolbens jedoch knapp oberhalb der Oberseite des im unteren Totpunkt stehenden Kolbens angeordnet sind, so läßt sich gleichzeitig erreichen, daß die aus einer Vorkammerverbrennung während eines Kompressions­ hubs resultierenden Rauchgase durch den Kolben während des Arbeits­ hubs über die Ablaßöffnung(en) ausgestoßen werden, sobald aufgrund des Verbrennungsdrucks die Ventilhülse angehoben wurde.

Das Prinzip einer Vorkompression zur Steigerung des Wirkungsgrads über einen Verbrennungsprozeß in einer aus mehreren Teilkammern bestehen­ den Vorkammer ist Gegenstand einer weiteren Patentanmeldung mit glei­ chem Zeitrang.

Die Verbindungsbohrung zwischen der Brennkammer und der Ring- oder Teilringkammer zur Erzeugung einer Differenzdruckkraft zur Anhebung der Ventilhülse ist vorteilhafterweise oberhalb des oberen Totpunkts des Arbeitskolbens angeordnet, so daß bei Zündung des komprimierten Luft- /Brennstoffgemischs der Druckanstieg in der Ring- oder Teilringkammer über die Verbindungsbohrung sehr rasch erfolgt und die Verschiebung der Ventilhülse zur Freigabe der Abblasöffnung(en) fast schlagartig erfolgt, vorzugsweise noch bevor der eigentliche Arbeitshub des Kolbens begon­ nen hat.

Zur Verbesserung des dynamischen Spülvorgangs ist es weiterhin von Vorteil vorzugsweise im Bereich des Luft-Einlaßventils eine beispielswei­ se ringförmig ausgebildete Injektorkammer vorzusehen, die über eine oder mehrere kleine Bohrungen mit der Brennkammer in Verbindung steht der­ art, daß das bei der Zündung des Luft-/Brennstoffgemischs entstehende Druckpotential in die Injektorkammer übertragen wird. Diese Durchlaß­ bohrungen zwischen der Brennkammer und der Injektorkammer sind mit einem Rückschlagventil versehen, das schließt, sobald beim Arbeitshub der Druck in der Brennkammer kleiner wird als der zuvor aufgebaute Druck in der Injektorkammer. Durch dieses Rückschlagventil hindurch, das beispielsweise als Tellerventil ausgebildet ist, oder unabhängig von der oder den Durchgangsbohrungen, ist die Injektorkammer über eine oder mehrere düsenartige Injektionsbohrungen permanent mit dem Brennkammerraum verbunden.

Beim Arbeitshub des Kolbens entsteht nun auf dessen der Brennkammer zugewandten Rückseite ein Unterdruck, durch den wie oben erwähnt, ein­ erseits die Saugwellen- Spülung über das Luft-Einlaßventil ausgelöst wird, andererseits aber der Spüleffekt erheblich verstärkt wird durch den Gasstrahl, der aus der Injektorkammer über die düsenartige Injektions­ bohrung in die Brennkammer einschießt. Durch diesen Injektionsstrahl wird zusätzliche Spülluft nach Art des Bunsenbrennerprinzips über das jetzt offene Luft-Einlaßventil mitgerissen. Es entsteht also ein den Spül­ grad erheblich verbessernder dynamischer Spüleffekt.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden nach­ folgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.

Die einzige Figur zeigt in schematischer Teilschnittdarstellung ein durch einen Freikolben-Brennkraftmotor angetriebenes Setzgerät, das erfin­ dungsgemäß mit einer Einrichtung für eine Saugwellenspülung, unter­ stützt durch eine dynamische Injektionsspülung ausgerüstet ist.

Das dargestellte Setzgerät wird hinsichtlich seiner einzelnen Teile und Baugruppen zur Erleichterung des Verständnisses zugleich in Stufen ei­ nes Funktionsablaufs beschrieben.

In der Ausgangsstellung sind ein Magazin 1 für Setzelemente 20, bei­ spielsweise Nägel und das eigentliche gehäuseummantelte Setzgerät 2 durch eine Anpreßfeder 3 auseinandergeschoben. Eine exzentrisch gela­ gerte Rücklaufsperre 4 für einen Arbeitskolben, im folgenden als Kolben 60 bezeichnet, der starr mit einem die Setzelemente 20 eintreibenden Stö­ ßel 5 verbunden ist, ist gespannt. Der Stößel 5 und damit der Kolben 60 stehen in einer unteren Totpunktposition (UTP) 61. Eine Ventilhülse 6, die ein wesentliches Teil der Erfindung darstellt, wird durch eine Kraftquelle, insbesondere eine Druckfeder 37 in Schließstellung gehalten, in der sie Abblasöffnungen 38 für Rauchgase verdeckt. Die Kraftquelle kann auch elektromagnetisch realisiert sein. Die Ventilhülse 6 wird einerseits durch eine erste abgedichtete Führung 88 ₁ am Außenmantel eines Brennkamm­ erzylinders 15 geführt und andererseits durch einen Haltering 89 umgrif­ fen, der seinerseits eine weitere abgedichtete Führung 88 ₂ am Außenman­ tel des Brennraumzylinders 55 besitzt. Der Haltering 89 ist starr mit dem oberen umlaufenden Rand der Ventilhülse 6 verbunden, beispielsweise durch Hartverlöten oder durch Schweißen oder durch eine abgedichtete Schraubverbindung. Zwischen einer horizontal verlaufenden Innenfläche des Halterings 89 und einer etwas vorspringenden Schulter am Brenn­ raumzylindermantel oberhalb der abdichtenden Führung 88 ₁ wird ein kleiner Ringraum 36 gebildet, der über eine Verbindungsbohrung 35 mit der Brennkammer 100 verbunden ist, und zwar oberhalb eines oberen Tot­ punkts (OTP) 63 des Kolbens 60. Die Ventilhülse 6 ist samt Haltering 89 in Vertikalrichtung gleitend verschiebbar. Die Druckfeder 37, welche wie er­ wähnt die Ventilhülse 6 in Schließstellung hält, wirkt - wie dargestellt - beispielsweise auf eine Außenschulter des Halterings 89. Ein Einlaßventil 7 wird über einen Hebelarm 8 durch eine Zugfeder 9 und eine Klinke 10 ge­ schlossen gehalten.

Ein in einem Vorkammerzylinder 71 geführter Vorkammerkolben 11 und eine Zwischenplatte 12, die auf einer mit dem Vorkammerkolben 11 ver­ bundenen Kolbenstange 74 geführt ist, befinden sich innerhalb des Vor­ kammerzylinders 71 in einer (strichliert eingezeichneten) zusammenge­ schobenen Position. Die Vorkammer ist in drei Teilkammern unterteilt, wobei die erste Teilkammer 70 ₁ durch den Raum unterhalb des Kolbens 60 innerhalb eines Hauptzylinders 15 gebildet ist, während die zweite Teil­ kammer 70 ₂ innerhalb des Vorkammerzylinders 71 durch das Volumen zwischen dem Vorkammerkolben 11 und der Zwischenplatte 12 gebildet ist und die dritte Teilkammer 70₃ das Restvolumen innerhalb des Vorkam­ merzylinders 71 unterhalb der Zwischenplatte 12 einnimmt.

Da in der Ausgangsstellung voraussetzungsgemäß der Vorkammerkolben 11 in der zusammengeschobenen Position steht, sei angenommen - was weiter unten näher erläutert wird - ein auf der Oberseite des Vorkammer­ kolbens 11 axial angeordneter und fixierter (Dosier-)Balg 13 sei etwa auf Umgebungsdruck aufgeblasen, d. h. mit Brenngas aus einer Gasdose 33 gefüllt. Die Gasdose 33 ist in ein mit dem Gehäuse des Arbeitsgeräts 2 inte­ gral verbundenes Handgriffgehäuse 75 eingesetzt, das am distalen Ende mit einer druckfederbelasteten Schließklappe 96 versehen ist, wodurch die Gasdose 33 gegen die abdichtende Umrandung 81 des Verdampfer­ raums 14 gedrückt wird. Ein Speicher- und Verdampferraum 14 zwischen der Gasdose 33 und dem Vorkammerzylinder 71 ist in diesem Fall entleert. In der Brennkammer 100 befindet sich ein brennbares Gas-/Luftgemisch.

Ein Arbeitszyklus mit dem Setzgerät beginnt durch Anpressen des Geräts gegen den Untergrund, in welchen ein Setzelement eingetrieben werden soll. Durch diesen Anpreßvorgang wird über einen Betätigungsstift 16 als erstes die Rücklaufsperre 4 gelöst. Durch das Anpressen des Nagelmaga­ zins 1 gegen das Setzgerät 2 werden gleichzeitig und parallel durch einen Mitnehmer 24 der Stößel 5 über einen Bolzen 25 und der Vorkammerkol­ ben 11 über seine Kolbenstange 74 um den Anpreßhub Δs nach oben ver­ schoben. Dieser Anpresshub Δs kann je nach Gerätetyp und Größe im Be­ reich zwischen Δs = 5 bis 100 mm, vorzugsweise im Bereich von 15 bis 40 mm liegen. Dabei wird über eine Schulter 74a der Kolbenstange 74, welche die untere feststehende Stirnwand 73 des Vorkammerzylinders 71 durch­ setzt, die durch einen Stift 50 drehgesicherte Zwischenplatte 12 auf hal­ bem Wege mitgenommen und nach oben verschoben. Wie die Zeichnung erkennen läßt, ist der Verschiebeweg der Zwischenplatte 12 durch die Län­ ge der mit einem unterseitigen Flansch versehene, auf der Kolbenstange 74 geführte Führungshülse 64 begrenzt.

Bei diesem Verschiebevorgang wird das im Balg 13 befindliche Brenngas über ein als drittes Ventil bezeichnetes Rückschlagventil 51 in den Brenn­ raum der Vorkammer 70 mit ihren untereinander verbundenen drei Teil­ kammern 70 ₁, 70 ₂, 70 ₃ ausgestoßen und mit der durch eine Bohrung 17 im Vorkammerkolben 11 angesaugten Frischluft kontinuierlich ver­ mischt. Die (Lufteinlaß-)Bohrung 17 ist ebenfalls mit einem Rückschlag­ ventil in Form eines Federverschlusses 52 versehen.

Am Ende des Anpreßhubs des Nagelmagazins 1 befindet sich in den drei Teilkammern, gebildet aus der ersten Teilkammer 70 ₁ unterhalb des Kol­ bens 11, der zweiten Teilkammer 70 ₂ unterhalb des Vorkammerkolbens 11 bis zur Oberseite der Zwischenplatte 12 sowie der dritten Teilkammer 70 ₃ unterhalb der Zwischenplatte 12 bis zur feststehenden Stirnwand 73, ein brennbares Gas-/Luftgemisch.

Das Gas-/Luftgemisch in der Brennkammer 100 wurde beim Anpreßvor­ gang durch die Verschiebung des Kolbens 60 mit Stößel 5 leicht kompri­ miert. Dieses Hauptkammergemisch kann sich jedoch über das Einlaß­ ventil 7 entlasten, das durch den Anpreßhub über einen mit dem Betäti­ gungsstift 16 verbundenen Hebestift 18, eine Feder 19 und den Hebel 8 in­ nerhalb des Spiels der Raste 10 leicht geöffnet wird. Der Kolben 60 steht jetzt in einer durch den Anpreßhub Δs bestimmten Anpreß-Hubposition 62 (AHP).

Durch den Anpreßhub Δs des Nagelmagazins 1 wird gleichzeitig ein Setze­ lement 20 aus einem Magazinstreifen 21 durch eine scharfe Schneide 22 der Stößelführung 23 ausgestanzt und in die Stößelführung 23 hineinge­ stoßen. Am Ende des Anpreßhubwegs wird der Mitnehmer 24 durch ein Blattfederelement 26 nach rechts gedrückt, sobald ein Abzug 27 betätigt wird. Dadurch springt der durch eine Feder 53 vorbelastete Bolzen 25 in seine Ausgangslage, so daß er durch den folgenden Setzvorgang durch den nach unten fahrenden Kolben 60 nicht beschädigt werden kann. Der Kol­ ben 60 bleibt noch in der Anpreß-Hubposition 62 aufgrund der Haftrei­ bung zwischen dem Kolbendichtring (nicht gezeigt) und der Wandung des Brennkammerzylinders 15.

Mit dem Abzug 27 wird durch einen Nocken 54 ein Hebelarm 28a eines Pie­ zoquartz-Zünders 28 betätigt. Über einen Kontakt 29a wird in einer Zünd­ kerze 29 ein Funken ausgelöst, der das Gas-/Luftgemisch in der Vorkam­ mer, nämlich zunächst in der dritten Teilkammer 70 ₃ zündet, wodurch die Vorkammerverbrennung ausgelöst wird. Die Flammenfront bewegt sich in der dritten Teilkammer 70 ₃ zunächst laminar in Richtung des Über­ strömschlitzes 72 in der Zwischenplatte 12 und wandert dann umgelenkt und beschleunigt durch die zweite Teilkammer 70 ₂ zu einer Überström­ bohrung 30. Der jetzt sehr turbulente Flammenstrahl entzündet das Gas-/Luftgemisch in der ersten Teilkammer 70 ₁ in deren gesamten Raum fast gleichzeitig, wodurch eine sehr schnelle Verbrennung abläuft.

Mit dem Abzug 27 wird gleichzeitig über einen verschiebbaren Hebel 31 ein in der Gasdose 33 integriertes Dosierventil 32 für Flüssiggas betätigt. Da­ bei wird der Speicher- und Verdampferraum 14 mit dem gasförmigen Brenngas gefüllt. Die Abwärme der Vorkammer-Verbrennung wird dabei als Verdampfungswärme genutzt so daß auch bei hoher Setzfrequenz ge­ nügend Gasdruck für die anschließende gasförmige Dosierung vorhanden ist.

Diese Ausnutzung der Verdampfungswärme der Vorkammer-Verbren­ nung wird dadurch optimiert, daß die der Stirnwand der Gasdose 33 ge­ genüberstehende Wandfläche des Verdampferraums 14 durch einen Wandabschnitt des Vorkammerzylinders 71 gebildet ist.

Der durch die schnelle Verbrennung, insbesondere in der ersten Teilkam­ mer 70 ₁ der Vorkammer entstandene Druckimpuls beschleunigt nun den Kolben 60 samt Stößel 5 in Richtung zum oberen Totpunkt 63 (OTP). Dabei wird das in der Brennkaminer 100 enthaltene Gas-/Luftgemisch stark ver­ dichtet und durch turbulenzerzeugende Einbauten wie Quetschkanten 55 und darin vorgesehene Verwirbelungsbohrungen homogen vermischt. Während des Verdichtungshubs auf dem Weg zum oberen Totpunkt 63 durchfährt der Kolben 60 mit hoher Geschwindigkeit ein durch einen au­ ßen angeordneten Permanentmagneten 56 aufgebautes Magnetfeld. Auf­ grund seiner Weicheisenbestandteile ändert der am feststehenden Perma­ nentmagneten 56 vorbei bewegte Kolben dessen Magnetfeld, wodurch in einer Zündspule 57 ein Induktionsstrom erzeugt wird, der beim Erreichen der Durchbruchspannung an den Elektroden einer Zündkerze 34 einen Funken überspringen läßt.

Mit diesem Zündfunken wird das verdichtete Gas-/Luftgemisch in der Brennkammer 100 gezündet. Der hohe Turbulenzgrad und die kleinen freien Weglängen der Moleküle im verdichteten Gas-/Luftgemisch erbrin­ gen für die Hauptkammerverbrennung eine sehr schnelle Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad. Der impulsartige Druckaufbau beschleunigt den Kolben 60 und damit den Stößel 5 in Richtung UTP 61 bis er durch eine mit elastischem ein Material ausgefütterte konische Kolbenbremse 58 still ge­ setzt wird. Durch diesen Arbeitshub wird das Setzelement (Nagel) 20 mit hoher Geschwindigkeit in den Untergrund eingetrieben.

Damit der Kolben 60 während des Arbeitshubs nicht gegen die Verbren­ nungsgase der Vorkammerverbrennung Arbeit leisten muß, ist die Ventil­ hülse 6 jetzt entgegen der Wirkung der Druckfeder 37 nach oben verscho­ ben. Die erforderliche Verschiebekraft wird durch den Kompressions- und sofort anschließenden Verbrennungsdruck über die Verbindungsbohrung 35 in der Wand des Brennkammerzylinders 15 auf die Differenzdruckflä­ che 36 bewirkt, d. h. auf vorzugsweise quer zur (vertikalen) axialen Wir­ kungsrichtung der Druckfeder 37 stehende Flächenabschnitte einer Ring­ kammer (oder Teilringkammer) 83, die zwischen den beiden abgedichteten Führungen 88 ₁, 88 ₂ am oberen Randbereich der Ventilhülse 6 durch ei­ nen Abstand zur Außenwand des Brennkammerzylinders ausgebildet ist. Durch die resultierende Kraft wird die Ventilhülse 6 gegen die Druckfeder 37 angehoben, wodurch die Abblasöffnungen 38 freigegeben werden, so daß die Abgase in eine Auspuffkammer 39 und damit an einer geeigneten Stelle über eine Bohrung 82 im Gehäuse des Geräts 2 entweichen können.

Mit dem Anheben der Ventilhülse 6 wird gleichzeitig über einen Bügel 40 die Klinke 10 entgegen der Wirkung einer Druckfeder 65 verdreht und der Hebelarm 8 gelöst.

Sobald der Stößel 5 das Setzelement 20 eingetrieben und die Abblasöff­ nungen 38 überfahren hat, werden sich die Abgase der Hauptkammerver­ brennung sehr schnell entspannen. Eine Feder 19 öffnet über den Hebel 8 nach Überschreiten des Kräftegleichgewichts (Federkraft-Ventilfläche× Brennkammerdruck < 0 [N]) das Einlaßventil 7, wodurch die Hauptkam­ merspülung eingeleitet wird.

Durch eine strömungsgünstige Gestaltung des (Luft-)Einlaßventils 7 wird zusätzlich eine erwünschte rasche Ventilöffnung sichergestellt, sobald die Druckkraft auf das Einlaßventil 7 aufgrund der Entspannung der Brenn­ gase die Federkraft der Feder 19 unterschreitet. Dabei ist es von besonde­ rem Vorteil, wenn das Einlaßventil 7 ringförmig und symmetrisch zur Ach­ se der Brennkammer 100 öffnet, wodurch eine kolbenartige Frischluft­ strömung entsteht, welche die Abgase vorwärts schiebt, die dann rasch über die Abblasöffnungen 38 ausströmen, was zusätzlich eine effiziente Spülung bewirkt.

Infolge des Rückstoßimpulses hebt sich das Arbeitsgerät 2 nach dem Ein­ treibvorgang vom Untergrund ab. Die Anpreßfeder 3 schiebt den Anpreß­ stift 16 nach unten und die Rücklaufsperre 4 wird wieder aktiviert, wo­ durch der Stößel 5 mit Kolben 60 durch Reibwirkung in der unteren Tot­ punktposition (UTP) 61 gehalten wird. Damit ist auch sichergestellt, daß die Abblasöffnungen 38 offen bleiben bis die Druckfeder 37 die Ventilhülse 6 aufgrund des über die Verbindungsbohrung 35 an der Differenzdruckflä­ che 36 nun abfallenden Drucks wieder über die Abblasöffnungen 38 schiebt.

Auch das Einlaßventil 7 bleibt durch die Kraft der Feder 19 so lange offen, bis das Setzgerät 2 und das Magazin 1 auseinandergefahren sind.

Der Spülvorgang im Hauptzylinder 15 ist durch das angewandte gasdynamische Spülprinzip auf der Basis der trägen Gasmassen oder des Saugwel­ leneffekts im wesentlichen innerhalb von 50 ms abgeschlossen. Bedingt durch die größere Trägheit der Masse des Einlaßventils 7 und der Ventilhülse 6 bleiben die Ein- und Auslaßöffnungen während dieser Zeit mit Si­ cherheit offen. Dies gilt auch dann, wenn zur Verstärkung des Spülgrads zusätzlich ein Injektionseffekt genutzt wird. In letzterem Fall ist die Spü­ lung ebenfalls innerhalb von 100 ms abgeschlossen. Dieser Injektionsef­ fekt wird erreicht über eine vorzugsweise kreisringförmige Injektionskam­ mer 84 oberhalb des Einlaßventils 7, deren innen liegende Wandabschnitte gleichzeitig als Ventilsitz für das Einlaßventil 7 dienen können. Die ringförmige Injektionskammer 84 ist über mindestens eine, vorzugsweise mehrere Durchgangsbohrungen 85 mit der Brennkammer 100 verbunden. Die Durchgangsbohrung(en) 85 ist (sind) mit (einem) beispielsweise teller­ artig gestalteten Rückschlagventil(en) 86 versehen. Das oder die tellerarti­ ge(n) Rückschlagventil(e) 86 weisen eine kleine Injektionsbohrung 87 auf. Die Funktion der Injektionskammer 84 ist folgende:

Durch den starken Druckanstieg in der Brennkammer 100 bei Zündung des komprimierten Gas-/Luftgemischs überträgt sich das aufgebaute Druckpotential über den oder die Durchgangsbohrungen 85 in die Injek­ tionskammer 84. Nach der Zündung und der Entspannung der Abgase in der Brennkammer 100 nach erfolgten Arbeitshub wird der Druck in der In­ jektionskammer 84 den Druck in der Brennkammer 100 übersteigen, so daß das Rückschlagventil 86 schließt. Durch die enge düsenartige Injek­ tionsbohrung 87 wird jetzt ein Injektionsstrahl hoher Geschwindigkeit in die Brennkammer 100 injiziert, wodurch eine zusätzliche dynamische Spülwirkung erzielt wird, die den erwähnten Saugwelleneffekt vorteilhaft ergänzt.

Mit dem Entlasten des Arbeitsgeräts 2 beziehungsweise dem Auseinander­ schieben von Setzgerät 2 und Magazin 1 durch die Anpreßfeder 3 werden durch die Druckfeder 41 der Vorkammerkolben 11 und die Zwischenplatte 12 zusammengeschoben, wobei die in der Vorkammer, insbesonderem der zweiten und dritten Teilkaminer 70 ₂, 70 ₃ enthaltenen Restgase über eine Lippendichtung 42 in der unteren feststehenden Stirnwand 73 des Vorkammerzylinders 71 ausgestoßen werden. Damit ist auch die Vorkam­ merspülung abgeschlossen.

Der beim vorhergehenden Dosiervorgang für die Vorkammer 70 ausge­ preßte (Dosier-)Balg 13 verbleibt beim Ausstoßen der Restgase aus dem Brennraum der Vorkammer 70 in seiner Auspreßposition auf der Obersei­ te des Vorkammerkolbens 11, mit dem er fest verbunden ist. Sobald der Vorkammerkolben 11 wiederum die zusammengeschobene Ausgangs- und Endposition (strichliert eingezeichnet) erreicht hat, öffnet er durch Ver­ schieben einer Betätigungsklinke 43 nach unten das als erstes Ventil be­ zeichnete Gaseinlaßventil 77, wodurch der seit der Betätigung des Abzugs 27 unter Gasdruck stehende Verdampferraum 14 geöffnet wird. Das Brenngas tritt jetzt über einen Schlauch 44 und das vierte Ventil 78, das ebenfalls als Rückschlagventil ausgebildet ist, in den Innenraum des Balgs 13 aus. Dabei wird der Balg 13 aufgeblasen, bis er an einem mit dem Gerätegehäuse verbundenen Anschlag 45 ansteht. Das im Balg 13 einge­ baute zweite Ventil 46, ebenfalls ein Rückschlagventil, wird durch ein durch eine Blattfeder 79 verschiebbaren Bolzen 80 dadurch gesteuert, daß in der zusammengeschoben Position von Vorkammerkolben 11 und Zwi­ schenplatte 12 die Blattfeder 79 auf den Bolzen 80 wirkt, wobei aufgrund des größeren Durchmessers des Bolzens 80 das Rückschlagventil 46 be­ aufschlagt wird. Das Brenngas kann jetzt über eine Verbindungsleitung 47 in die Brennkammer 100 des Hauptzylinders 15 eindringen und sich auf Umgebungsdruck entlasten. Die Brennstoffdosierung für den Haupt­ zylinder 15 ist damit abgeschlossen.

Nachdem das Setzgerät 2 und das Magazin 1 die auseinandergeschobene Endposition erreicht haben, schiebt eine Rollfeder 48 über eine Vorschub­ klinke 49 den Magazinstreifen 21 bis zum Anschlag in die Schlagposition innerhalb der Führung des Stößels 5.

Mit der automatischen Nachführung des Setzelements 20 ist ein vollstän­ diger Arbeitszyklus abgeschlossen. Das Setzgerät ist für einen weiteren Eintreibvorgang vorbereitet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur wesentlichen Verbesserung der Spülung des gesamten Brennraums innerhalb des Hauptzylinders 15 kommt mit vergleichsweise sehr einfachen Mitteln aus, nämlich mit im we­ sentlichen einer Ventilhülse 6 und einem strömungsgünstigen Lufteinlaß­ ventil 7, die durch den in der Brennkammer 100 sich verändernden Druck gesteuert werden. Der dadurch erreichte dynamische Spüleffekt wird noch verstärkt durch eine ergänzende Injektionsspülung, die nach dem Prinzip einer Wasserstrahlpumpe bzw. eines Bunsenbrenners wirkt. Aufgrund der Erfindung wird der Wirkungsgrad eines brennkraftbetriebenen Freikol­ benmotors, wie er insbesondere für Setzgeräte in der beschriebenen Art verwendet wird, wesentlich erhöht.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur dynamischen Spülung der Brennkammer (100) ei­ nes Freikolbenmotors, gekennzeichnet durch

• - eine den Brennkammerzylinder (15) umgebende axial verschiebliche Ventilhülse (6), die in einer Schließstellung eine Mehrzahl von oberhalb des unteren Totpunkts (61) des Arbeitskolbens (60) vorhandene, die Zylin­ derwand durchsetzende Abblasöffnungen (38) für Rauchgase überdeckt,
• - eine auf die Ventilhülse (6) wirkende und diese in ihre Schließstellung drückende Kraftquelle (37) und durch
• - eine Einrichtung (35, 36, 83, 88 ₁, 88 ₂, 89), welche die Ventilhülse (6) im Verlauf eines Verbrennungsprozesses in der Brennkammer (100) so weit verschiebt, daß die Abblasöffnungen (38) frei sind und diese Offenstellung der Ventilhülse (6) mindestens so lange hält, bis der Arbeitskolben (60) beim Arbeitshub die Abblasöffnungen (38) überfahren und sich aufgrund des in der Brennkammer (100) entstandenen Druckabfalls ein Luft-Ein­ laßventil (7) geöffnet hat und ein dadurch bewirkter Saugwellenspülvor­ gang der Brennkammer (100) abgeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilhülse (6) durch eine Druckfeder (37) in ihre Schließstellung ge­ drückt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Verschiebung der Ventilhülse (6) aus einer zwischen der Ventilhülse (6) und der Brennkaminerzylinderaußenwand gebildeten, abgedichteten Ringkammer (83) oder Teilringkammer besteht, die über ei­ ne Verbindungsbohrung (35) durch die Zylinderwand mit der Brennkam­ mer (100) in Verbindung steht, so daß der bei Zündung eines Gas-Luftge­ mischs in der Brennkammer (100) entstehende Druck zumindest zum Teil in die Ringkammer oder Tellringkammer übertragen wird, und daß die zur auf die Ventilhülse in deren Schließstellung wirkende Verschiebekraft schräg oder quer liegenden Differenzkraft-Flächenabschnitte (36) der Ring- oder Teilringkammer (83) so bemessen sind, daß die aufgrund des Verbrennungsdrucks in der Ring- oder Teilringkammer (83) aufgebaute Druckkraft die Ventilhülse (6) entgegen der Wirkung der Kraftquelle ver­ schiebt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzkraft-Flächenabschnitte (36) und die Verbindungsbohrung (35) so bemessen sind, daß ein Abbau des Druckpotentials in der Ring- oder Teilringkammer (83), bis die durch die Kraftquelle ausgeübte Verstellkraft die in der Ring- oder Teilringkammer (83) aufgebaute Druckkraft wieder übersteigt und die Ventilhülse (6) in Schließstellung verschiebt, verzögert erfolgt, bis die Saugwellenspülung der Brennkammer (100) abgeschlossen und ausreichend Frischluft für einen nachfolgenden Verbrennungsprozeß in die Brennkammer (100) über das Luft-Einlaßventil (7) eingeströmt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkammer oder Teilringkammer (83) und deren Differenzkraft-Flächen­ abschnitte (36) sowie die Verbindungsbohrung (35) so bemessen sind, daß sich eine Offenzeit für die Ventilhülse (6) von 30 bis 100 ms ergibt.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abblasöffnungen (38) im unteren Totpunktbereich des Arbeitskolbens (60) jedoch knapp oberhalb der der Brennkammer (100) zugewandten (oberen) Fläche des im unteren Totpunkt (61) stehen­ den Arbeitskolbens angeordnet sind, so daß aus einer Vorkammerverbren­ nung während eines Kompressionshubs resultierende Rauchgase durch den Arbeitskolben (60) während des Arbeitshubs über die Abblasöffnun­ gen (38) ausgestoßen werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsbohrung (35) oberhalb des in oberer Totpunktposition ste­ henden Arbeitskolbens (60) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine im Bereich des Luft-Einlaßventils (7) angeordnete In­ jektionskammer (84), die über mindestens eine mit einem Rückschlag­ ventil (86) versehenen Durchgangsbohrung (85) mit der Brennkammer (100) in Verbindung steht, so daß das aufgrund des Verbrennungsprozes­ ses entstehende Druckpotential in die Injektionskammer (84) übertragen wird, und daß die Injektionskammer (84) außerdem über eine düsenartige enge Injektionsbohrung (87) bei gesperrtem Rückschlagventil (86) mit der Brennkammer (100) in Verbindung steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftquelle und die Einrichtung zur Verschiebung der Ventilhülse (6) elek­ tromagnetische Einrichtungen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in­ nen liegenden Wandabschnitte der Injektionskammer (84) zugleich als Ventilsitz für das Einlaßventil (7) gestaltet sind.