DE3625053C2 - - 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, seinen Fließquerschnitt zumindest teilweise öffnenden und schließenden Ventil versehen ist, das einen durch den Arbeitskolben betätigbaren Schließkörper auf­ weist, der mit dem Arbeitskolben über eine Kupplung zu zeitweiliger gemeinsamer Bewegung verbunden ist.

Eine durch das Abgas eines Verbrennungsmotors betrie­ bene 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 umgestellt wer­ den 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 Abgasdrucks bewegt, er­ folgt in Abhängigkeit 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 vom am Einlaßventil anstehenden Abgasdruck und dem der Kol­ benbewegung 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 Ein­ richtung 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 Kolbenla­ ders 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 Druck­ verlaufs innerhalb des Entspannungsraums nicht mög­ lich ist. Insbesondere besteht keine Möglichkeit, Abgaseinlaß und Abgasauslaß zugleich geöffnet zu halten, was in bestimmten Betriebssituationen er­ wünscht sein kann.

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

Eine bekannte, durch Motorabgase betriebene Kolbenma­ schine besitzt auf der Auslaßseite eine Ventilsteue­ rung, 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 behindern. Wirkt die Kolbenma­ schine als Hilfsmaschine mit dem Verbrennungsmotor zusammen, insbesondere als Lader, so ist eine Anpas­ sung der Kolbenmaschine an die Betriebszustände des Verbrennungsmotors erwünscht, die bei einer Ventil­ steuerung direkt vom Verbrennungsmotor aus nicht automatisch durchführbar ist, es sei denn, durch eine zusätzliche, teuere Steuerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit mög­ lichst geringem Aufwand eine zuverlässige Steuerung des Kolbenladers zur optimalen Ausnutzung der ar­ beitsfähigen Energie der Abgasdruckwellen des Ver­ brennungsmotors 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 zen­ tralen Abgasauslaß bei möglichst geringem Platzbedarf vorzusehen. Schließlich soll durch einfache konstruk­ tive Änderungen eine optimale Anpassung an die jewei­ ligen Einsatzbedingungen möglich sein.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Kolbenla­ der 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 die Kupplungsver­ bindung zwischen Arbeitskolben und Schließkörper in mindestens einer vorgegebenen Endstellung des Schließkörpers lösbar ist.

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

Sobald der Abgasdruckwelle ausreichend arbeitsfähige Energie entnommen werden kann, wird der Arbeitskolben aus seiner Ruhestellung angehoben, in welcher er sich nahe der mit dem Abgaseinlaß und dem Abgasauslaß versehenen Begrenzung 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 die Abgasdruckwelle den Arbeitskolben anhebt, um die arbeitsfähige Energie optimal zur Bewegung des Ar­ beitskolbens auszunützen. Insbesondere kann die Über­ tragung der Kolbenbewegung auf die Ventilbetätigung zeitweilig unterbunden und dadurch der zeitliche Druckverlauf im Zylinder des Kolbenladers beeinflußt und auch eine Rückwirkung auf den zeitlichen Verlauf der Kolbenbewegung erreicht werden.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß ein den Schließkörper bewegendes Stell­ glied mit dem Arbeitskolben über eine beim Erreichen einer Stellkraftschwelle lösbare Kupplung verbunden und der Schließkörper zwischen seine Öffnungs- und seine Schließstellung definierenden Anschlägen beweg­ bar ist. Es kann aber auch nach einer anderen zweck­ mäßigen Ausführungsform ein den Schließkörper bewe­ gendes Stellglied durch eine ortsfeste, beim Errei­ chen einer Stellkraftschwelle lösbare Kupplung gehal­ ten und über eine ein Spiel in Hubrichtung aufweisende Mitnehmerverbindung mit dem Arbeitskolben zur Verschiebung gegenüber der ortsfesten Kupplung kup­ pelbar sein, wobei die beim Erreichen der Stellkraft­ schwelle lösbare Kupplung eine Reibungskupplung sein kann.

Eine andere, sehr vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß der Schließkörper im Arbeitskolben in dessen Hubrichtung zwischen zwei Grenzstellungen freibeweglich geführt ist, in deren oberer er voll­ ständig in den Kolben eintaucht und in deren unterer er zur schließenden Abdeckung des Abgasauslasses aus dem Arbeitskolben herausragt. Bei dieser Ausge­ staltung kann der Schließkörper seine Stellung rela­ tiv zum Arbeitskolben auf Grund 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 sperrenden Stellung bis er relativ zum Arbeitskolben seine untere Grenzstellung erreicht hat, was zweckmäßigerweise erfolgt, kurz bevor der Arbeitskolben seinen Arbeitshub beendet. Dadurch wird der Schließkörper in Richtung auf seine obere Grenzstellung beschleunigt, während der Ar­ beitskolben kurz darauf seinen Rückhub durchführt. Dabei bewegt sich der Schließkörper zunächst noch in Richtung auf seine obere Grenzstellung. Sobald er diese erreicht hat, wird er vom Arbeitskolben in entgegengesetzter Richtung 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 Abgasauslaß geöffnet bleibt. Beendet der Arbeits­ kolben seinen Rückhub, bewegt sich der Schließkörper auf Grund der Massenträgheit weiter, bis er den Abgas­ auslaß im gewünschten Umfang verschließt.

Noch eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß zwischen dem Schließkörper und dem Ar­ beitskolben eine einseitig in Richtung auf die Schließstellung des Schließkörpers gerichtete Mitneh­ merverbindung besteht, daß der Schließkörper in sei­ ner Schließstellung durch eine selbsttätige Sperre verriegelbar ist und in seine Öffnungsstellung vorge­ spannt ist, und daß die Sperre durch den Arbeitskol­ ben in der Endphase des durch die Abgasdruckwelle verursachten Arbeitshubs lösbar ist.

Durch diese Konstruktion wird das Ventil während des Arbeitshubs des Arbeitskolbens in seiner Schließ­ stellung festgehalten, bis der Arbeitskolben selbst die Sperre löst, worauf das Ventil unter dem Einfluß der Vorspannung rasch seine voll geöffnete Stellung einnimmt. Die Mitnehmerverbindung zwischen Arbeits­ kolben und Schließkörper wird vorzugsweise so ausge­ legt sein, daß erst bei Beendigung des Rückhubs das Ventil wieder seine geschlossene Stellung einnimmt.

Eine andere zweckmäßige Ausgestaltung besteht bei der einen Reibungsschluß zwischen Stellglied und Arbeits­ kolben aufweisenden Ausführungsform darin, daß zwi­ schen Stellglied und Arbeitskolben ein Umkehrmecha­ nismus zur gegenläufigen Verbindung von Stellglied und Arbeitskolben angeordnet ist. Dadurch wird der Arbeitskolben bei Beginn seines Arbeitshubs den Ab­ gasauslaß schließen und bei Beginn des Rückhubs 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 belastet ist. Bei dieser Ausbildung wird die den Arbeitskolben zur Durchführung des Arbeitshubs bewe­ gende Abgasdruckwelle den Schließkörper zunächst auf den Abgasauslaß drücken und diesen dadurch ver­ schließen, wobei während des Arbeitshubs die Feder­ spannung zunimmt, bis sie schließlich den Abgasdruck überwindet und den Schließkörper vom Abgasauslaß abhebt. Dabei kann die Federanordnung einerseits am Arbeitskolben und andererseits am Schließkörper an­ geordnete, in Hubrichtung des Arbeitskolbens einen Abstand voneinander aufweisende Mitnehmer umfassen, zwischen denen ein Federelement derart angeordnet ist, daß es bestrebt ist, den Arbeitskolben und den Schließkörper in ihre eng benachbarte Stellung zu bewegen. Eine andere Variante kann darin bestehen, daß daß die Federanordnung bei dem Abgasauslaß be­ nachbarter Endstellung des Arbeitskolbens unter Bildung eines Auslaßspaltes den Schließkörper gering­ fügig vom Abgasauslaß abhebt, so daß die Abgasdruck­ wellen ohne Betätigung des in Ruhestellung befindli­ chen Arbeitskolbens über den Abgasauslaß abgeleitet werden können, wenn sie, insbesondere im Leerlaufbe­ trieb der Verbrennungskraftmaschine, nur eine geringe arbeitsfähige Energie enthalten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschrei­ bung.

An Hand der folgenden Beschreibung der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch den Zylinder einer als Lader dienenden Kolbenma­ schine mit einer Druckklappe als Schließ­ körper eines den Abgasauslaß steuernden Ventils,

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

Fig. 3 einen der Fig. 1 ähnlichen Axialschnitt bei einer weiteren Ausführungsform mit teller­ förmigem Schließkörper während des Arbeits­ hubs,

Fig. 4 einen Axialschnitt durch die Ausführungsform nach Fig. 3 während des Rückhubs des Kol­ bens,

Fig. 5 einen der Fig. 4 ähnlichen Axialschnitt durch eine andere Ausführungsform mit tel­ lerförmigem 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 Been­ digung des Arbeitshubs des Arbeitskolbens,

Fig. 12 einen Axialschnitt durch eine Variante der in Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform während des Arbeitshubs des Arbeitskolbens und

Fig. 13 einen Axialschnitt durch die in Fig. 12 gezeigte Variante bei Beginn des Rückhubs des Arbeitskolbens.

Ein Zylinder 10 einer als abgasgetriebener Lader einer Verbrennungskraftmaschine einzusetzenden Kol­ benmaschine enthält einen flachen Arbeitskolben 212, der mit einer Kolbenstange 214 verbunden ist, die aus dem Zylinder 10 herausragt und außerhalb des Zylin­ ders 10 in einer Führung 16 linear beweglich geführt ist. Der Zylinder 10 wird von einer oberen Stirnflä­ che 18 begrenzt, durch welche die Kolbenstange 214 nach außen geführt ist, und durch eine untere Stirn­ fläche.

Die obere Stirnfläche 18 ist mit einem Ladeluftein­ laßventil 22 und einem Ladeluftauslaßventil 24 verse­ hen, die in Form von Rückschlagventilen ausgeführt sind. Die untere Stirnfläche 20 ist mit einem Abgas­ einlaß 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 Abgasdruckwellen von einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine versorgt wer­ den kann, befindet sich seitlich vom Abgasauslaß.

Der Arbeitskolben 212 befindet sich in Ruhestellung unter dem Einfluß einer Rückstelleinrichtung in einer dem Abgaseinlaß 26 und dem Abgasauslaß 28 benachbarten, nachfolgend als "unterer Totpunkt" bezeichneten Stellung. Die Rückstelleinrichtung kann beispielsweise aus einer Rückstellfeder 32 bestehen.

Trifft in der Ruhestellung des Arbeitskolbens 212 am Abgaseinlaß 26 eine Abgasdruckwelle ein, die über eine ausreichende, arbeitsfähige Energie verfügt, so wird der Arbeitskolben 212 in einem Arbeitshub in Richtung auf seine der oberen Stirnfläche 18 benach­ barte, nachfolgend auch als "oberer Totpunkt" be­ zeichnete Endstellung bewegt, sofern die arbeitsfä­ hige Energie der Abgasdruckwelle durch Entspannung des Abgases im Zylinder 10 nutzbar gemacht werden kann. Es muß also verhindert werden, daß das Abgas ungenutzt aus dem Abgasauslaß 28 abfließen kann. Andererseits sollte das entspannte Abgas nach dem Arbeitshub des Arbeitskolbens 212 möglichst vollstän­ dig aus dem Zylinder 10 ausströmen. Auch beim Ein­ treffen von Abgasdruckwellen mit geringer arbeitsfä­ higer Energie, wie etwa im Leerlaufbetrieb der Ver­ brennungskraftmaschine, soll das Abgas ungehindert aus dem Abgasauslaß 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 Ar­ beitskolbens 212 das Abgas unter dem Kolbenboden 248 vom Abgaseinlaß 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 Drehachse 41 ist eine kreisscheibenför­ mige Ventilklappe 43 angebracht, die über eine zwi­ schen dieser Ventilklappe 43 und dem Arbeitskolben 212 bestehende Mitnehmerverbindung 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 eine an der Ventilklappe 43 gelenkig angeschlossene Stellstange 45 mit ihrem anderen Ende gelenkig mit einer inneren Kolbenstange 247 ver­ bunden, die unter Reibungsschluß in Längsrichtung in der hohlen, mit dem Arbeitskolben 212 verbundenen Kolbenstange 214 geführt ist. Der Ventilklappe 43 ist im Ventilabschnitt 42 des Abgasauslasses 28 ein An­ schlag 249 zugeordnet, der die Ventilklappe 43 in ihrer Schließstellung festhält, wenn sie bei einem Arbeitshub des Arbeitskolbens 212 durch die sich nach oben bewegende Stellstange 45 im Uhrzeigersinn ver­ schwenkt wird.

Wenn sich der Arbeitskolben aus der in Fig. 1 gezeig­ ten Stellung aus seinem unteren Totpunkt nach oben bewegt, wird zunächst die innere Kolbenstange 247 durch Reibungsschluß mit nach oben bewegt, so daß die Ventilklappe 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 Be­ wegung erreicht, der bei hoher Abgasenergie mit dem oberen Totpunkt zusammenfällt. Diesen oberen Totpunkt wird der Arbeitskolben umso leichter erreichen, als während seines Arbeitshubs mit Ausnahme der Anfangs­ phase, welche zum Schließen der Ventilklappe 43 be­ nötigt wird, der Abgasauslaß 28 geschlossen bleibt (Fig. 2).

Sobald der Rückhub des Arbeitskolbens 212 einsetzt, wird durch die bestehende Reibungsverbindung die in­ nere Kolbenstange 247 soweit abwärts bewegt, daß sich die Ventilklappe 43 in die voll geöffnete, in Fig. 1 gezeigte Stellung bewegt. In dieser Stellung bleibt die Ventilklappe 43 nicht nur bis zur Vollendung des Rückhubs des Arbeitskolbens 212, sondern auch während der Ruhestellung des Arbeitskolbens im unteren Tot­ punkt, 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 Schließkör­ per 343 fest verbunden ist und deren freie Beweglich­ keit 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 hohlen Kolbenstange 314 heraus­ geführt und unter Reibungsschluß durch einen ortsfe­ sten 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 Abgasdruckwellen mit geringer arbeitsfähiger Energie in den Abgasauslaß 28 eintreten können.

Trifft eine Abgasdruckwelle mit ausreichend großer arbeitsfähiger Energie ein, wird der Arbeitskolben 312 nach oben bewegt, wobei zunächst der Schließkör­ per 343 unter dem Einfluß des Bremsrings 355 in seiner Schließstellung festgehalten wird. Erst wenn der Mitnehmer 353 den Bund 351 erfaßt, was bei An­ näherung des Arbeitskolbens 312 an seinen oberen Totpunkt der Fall ist, wird der Schließkörper 353 in seine geöffnete Stellung angehoben. Er wird vom Ar­ beitskolben 312 mitgezogen, bis dieser den oberen Wendepunkt seiner Bewegung erreicht. 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 er­ sichtlich ist.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Variante ist mit einem tellerförmigen Schließkörper 443 eine Stell­ stange 445 fest verbunden, die durch eine hohle Kol­ benstange 414 des Arbeitskolbens 412 geführt ist. Zwischen der Stellstange 445 und der Innenfläche der hohlen Kolbenstange 414 sind Reibräder 457 angeord­ net, welche die Bewegung der Kolbenstange 414 auf die Stellstange 415 übertragen können, 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 Kolbenboden 448 oder einem anderen, ihm am Arbeitskolben 412 zugeordneten Anschlag anschlägt.

Beginnt der Arbeitskolben 412 seinen Arbeitshub, werden die Reibräder 457 bestrebt sein, den Schließ­ körper nach unten in seine geschlossene Stellung zu drücken. In dieser geschlossenen Stellung bleibt der Schließkörper 443 bis zum oberen Wendepunkt der Kol­ benbewegung. Sobald sich der Arbeitskolben 412 ab­ wärts bewegt, wird die Stellstange 445 aufwärts be­ wegt und öffnet dadurch den Abgasauslaß 28, weil sich der Schließkörper bis zum Anschlag am Arbeits­ kolben 412 hebt. Im weiteren Verlauf der Kolbenbe­ wegung 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 vollständig abdeckt, wenn der Arbeitskolben im unteren Totpunkt angelangt ist. Erst zu Beginn des Arbeitshubs wird der Abgas­ auslaß 28 vollständig in der beschriebenen Weise geschlossen.

Die Funktionsweise dieser in Fig. 5 gezeigten Variante ist mit der des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels insofern vergleichbar, als in beiden Fällen die Ventilumsteuerung jeweils mit dem Beginn eines Hubs zusammenfällt, wodurch sich eine "unsymmetrische" Öffnungscharakteristik des Ventils bezogen auf den Wendepunkt des Arbeitskolbens 212 bzw. 412 nach seinem Arbeitshub ergibt. Da in der Bewegungsübertragung zwischen Arbeitskolben 212 bzw. 412 und Schließkörper 43 bzw. 443 des Ventils ein Schlupf vorgesehen ist, wird erreicht, daß das Ventil seinen vollen Ventilhub sowohl beim Schließen als auch beim Öffnen jeweils bereits kurz nach Beginn des entsprechenden Hubs des Arbeitskolbens 212 bzw. 412 durchgeführt 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 Arbeits­ kolbens 512 angeordnete Öffnung 561 mit geringerem Querschnitt als dem der Kammer 559 aufweist. Ein Ventilschließkörper 543 mit einem der Öffnung 561 angepaßten Querschnitt ist derart in der Kammer 559 angeordnet, daß er durch einen dem inneren Quer­ schnitt 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 ein­ geschoben ist, wobei sein äußeres Ende nur noch im Bereich der Öffnung 561 geführt ist, besteht zwischen dem Bund 563 und seiner durch die Querschnittserwei­ terung der Kammer 559 gegenüber der Öffnung 561 ge­ bildeten, diesem Bund 563 zugewandten Anschlag­ schulter 565 ein axialer Abstand, der etwas geringer ist als die Hublänge des Arbeitskolbens 512. Der Abstand entspricht der Weglänge, die der Arbeitskol­ ben 512 zurücklegt, bevor gegen Ende des Arbeitshubs der Abgasauslaß 28 geöffnet wird.

Befindet sich, wie in Fig. 6 dargestellt, der Ar­ beitskolben 512 in der auch als "unterer Totpunkt" bezeichneten 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 eine Spalte 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 Schließkörper 543 auf Grund der Massenträgheit solange in der gezeigten 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 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 Schließ­ körper 543 dabei in die Kammer 669 zurückgezogen ist, bleibt der Abgasauslaß 29 voll geöffnet, bis der Arbeitskolben 512 seinen unteren Totpunkt erreicht hat.

Auch die in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausfüh­ rungsformen dienen dem Zweck, den Abgasauslaß 28 wäh­ rend 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 ver­ bundene Stellstange 645 längsverschieblich geführt ist. An dem vom Schließkörper 341 abgewandten Ende ist die Stellstange 645 mit einem Bund 669 versehen. Ein bezogen auf den Zylinder 10 ortsfest gelagerte Sperrklinke 671 ist in eine in die Bahn des Bundes 669 ragende Sperrstellung durch eine Feder 673 vorge­ spannt. Die Sperrklinke 671 ist so angeordnet, daß sie auf der vom Schließkörper 643 abgewandten Seite den Bund 669 übergreifen kann, wenn sich der Schließ­ körper 643 in seiner den Abgasauslaß 28 verschließen­ den bzw. bis auf den Auslaßspalt für das bei Leer­ laufbetrieb der Verbrennungskraftmaschine anfallende Abgas verschließenden 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 geöffnete Stellung anzuheben, in der er am Boden 648 des Arbeitskolbens 612 anliegt.

Dem Arbeitskolben 612 oder der mit ihm verbundenen Kolbenstange 614 ist ein ortsfester Auslöser 679 derart zugeordnet, daß er bei der Annäherung des Arbeitskolbens 612 an dessen oberem Totpunkt betätigt wird. Der Auslöser 679 steht, z. B. elektrisch oder mechanisch, mit der Sperrklinke 671 derart in Ver­ bindung, daß er bei seiner Betätigung die Sperrklinke 671 aus ihrer Sperrstellung bewegt. Dadurch kann die Druckfeder 677 den Schließkörper 643 in seine Öff­ nungsstellung drücken, in der er am Kolbenboden 648 anliegt. Durch den Rückhub des Arbeitskolbens 612 wird der Schließkörper 643 wieder in seine Schließ­ stellung überführt, die er am Ende des Rückhubs des Arbeitskolbens 612 erreicht. Dabei läuft der Bund 669 an eine schräge Steuerkante 681 der Sperrklinke 671 an, um sie bei der Rückkehr in die Sperrstellung beiseitezudrücken. Der Schließkörper 643 bleibt dann in der Schließstellung, bis er gegen Ende des näch­ sten Arbeitshubs des Arbeitskolbens erneut freigege­ ben und durch die Druckfeder 677 angehoben wird.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Konstruktion handelt es sich um eine der Fig. 7 sehr ähnliche Gestaltung, wobei jedoch die Druckfeder 677 zwischen dem Bund 669 und einem Bund 683 an der hohlen Kolbenstange 614 eingespannt ist und die Sperrklinke 671 den Schließ­ körper 643 dadurch freigibt, daß die hohle Kolben­ stange 614 gegen eine hierzu an der Sperrklinke 671 vorgesehene Steuerkante 685 läuft.

In den Fig. 9 bis 11 ist eine besonders einfache Konstruktion dargestellt, welche ebenfalls eine "unsymmetrische" Öffnungscharakteristik für das den Abgasauslaß 28 steuernde Ventil ermöglicht.

In Fig. 9 befindet sich ein mit einer hohlen Kolben­ stange 714 versehener Arbeitskolben 712 in seiner Ruhestellung, in die er durch eine Rückstellfeder 32 gedrückt wird, die zwischen einem an der Führung 716 der Kolbenstange 714 angeordneten Widerlager 787 und einem Führungsstück 789 an der Kolbenstange 714 ein­ gespannt ist. Ein tellerförmiger Schließkörper 743 ist mit einer Stellstange 745 verbunden, die mit einem Führungsstück 769 in der hohlen Kolbenstange 714 geführt ist, wobei zwischen dem Führungsstück 769 und einer auf dessen dem Schließkörper zugewand­ ter 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 Schließkörper 743 einen geringen Abstand vom Kolbenboden 748 dadurch einhält, daß das Führungs­ stück 769 an der ihm zugewandten Seite des Führungs­ stücks 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 Abstand vom Boden der Mulde 50, so daß der bereits mehrfach erwähnte Spalt für das Abströmen des Abgases bei Leerlaufbetrieb geöffnet bleibt.

Beim Eintreffen einer Abgasdruckwelle 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 be­ ginnt, bleibt der Abgasauslaß so lange geschlossen, bis die Kraft der sich spannenden Druckfeder 793 den Abgasdruck auf den Schließkörper 743 überwindet und den Schließkörper 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 bemessen, daß der Abgasauslaß erst in der Endphase des Arbeitshubs des Arbeitskolbens 712 geöffnet wird.

Die Situation unmittelbar vor dem durch die Feder 793 bewirkten Anheben des Schließkörpers 743 in seine Öffnungsstellung ist in Fig. 11 dargestellt. Man sieht in Fig. 11, daß sich das Führungsstück 769 um eine dem bis dahin zurückgelegten Weg des Arbeitskol­ bens 712 aus seiner Ruhestellung entsprechende Strecke von dem als Anschlag dienenden Führungsstück 789 entfernt hat, wobei die Feder 793 gespannt wurde, um den Abgasdruck zu überwinden.

Eine Variante der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform ist in den Fig. 12 und 13 darge­ stellt, wobei mit der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszei­ chen 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 Mitnehmers 353 ein Ansatz 333 ausgebil­ det, der die Stellstange 345 ringförmig umschließt und geeignet ist, stets zwischen dem Arbeitskolben 312 und dem Schließkörper 343 einen axialen Spalt freizuhalten. Eine den Arbeitskolben in Richtung auf seine Ruhestellung bzw. den sog. unteren Totpunkt belastende Rückstellfeder 332 stützt sich einerseits an der Kolbenstange 314 und andererseits am ortsfe­ sten 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 End­ platte 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 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, daß der Abgasauslaß nicht vollstän­ dig geschlossen wird.

Trifft eine Abgasdruckwelle mit ausreichend großer arbeitsfähiger Energie ein, wird durch den im Spalt zwischen dem Arbeitskolben 312 und dem Schließkörper 343 wirkenden Druck der Schließkörper 343 unter wei­ terer Belastung der Druckfeder 337 auf den Abgasaus­ laß 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 entspannt hat, daß die auf den Schließkörper 343 in Richtung auf dessen Schließ­ stellung 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 Arbeitskolbens 312, es sei denn, der Mitnehmer 353 hätte bereits den Bund 351 auf der Stellstange 345 erfaßt und diese mitgezo­ gen, so daß sich die Endplatte 335 bereits von der Druckfeder 337 abgehoben hat. Bei jedem vollständigen Arbeitshub des Arbeitskolbens 312 wird der Schließ­ körper 343 bis in die in Fig. 13 gezeigte Stellung angehoben und dann durch den Bremsring 355 festgehal­ ten, 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 Arbeitskolbens 312 für eine beispielsweise beim Leer­ laufbetrieb erforderliche, geringe Öffnung des Abgas­ auslasses 28; sie öffnet aber auch den Abgasauslaß 28, wenn die arbeitsfähige Energie der Abgasdruckwelle 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 Abgasenergie einer Verbrennungs­ kraftmaschine antreibbarer Kolbenlader, der minde­ stens 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, seinen Fließ­ querschnitt zumindest teilweise öffnenden und schließenden Ventil versehen ist, das einen durch den Arbeitskolben betätigbaren Schließkörper aufweist, der mit dem Arbeitskolben über eine Kupplung zu zeit­ weiliger gemeinsamer Bewegung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil im Takt der sich aus der Verbrennung in jeweils einem Zylinder des Ver­ brennungsmotors ergebenden Abgasdruckwellen steuerbar ist und daß die Kupplungsverbindung zwischen Arbeits­ kolben (212; 312; 412; 512; 612; 712) und Schließkör­ per (43; 343; 443; 543; 643; 743) in mindestens einer vorgegebenen Endstellung des Schließkörpers lösbar ist.

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 Kupplung (214, 247) verbunden und der Schließkörper zwischen seine Öffnungs- und seine Schließstellung definierenden 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) ge­ halten und über eine ein Spiel in Hubrichtung aufwei­ sende Mitnehmerverbindung (343, 351, 353) mit dem Arbeitskolben (312) zur Verschiebung gegenüber der ortsfesten 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 oberer er vollständig in den Arbeitskolben (512) eintaucht und in deren unterer er zur schließenden Abdeckung des Abgasauslasses (28) aus dem Arbeitskol­ ben 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 (812, 643) besteht, daß der Schließkörper (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 die Abgasdruckwelle verursachten Arbeitshubs 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 Arbeits­ kolben (412) ein Umkehrmechanismus (457) zur gegenläu­ figen Verbindung von Stellglied (445) und Arbeitskol­ ben (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 (48) des Arbeitskolbens belastet ist.

10. Kolbenlader nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schließkörper (743) durch die Fe­ deranordnung (793) in Richtung auf einen am Arbeits­ kolben (712) angeordneten Anschlag belastet ist, wobei zwischen dem Schließkörper und dem Arbeitskol­ ben (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 derart angeordnet ist, daß es bestrebt ist, den Arbeitskolben und den Schließkörper (743) in ihre eng benachbarte Stellung zu bewegen.

12. Kolbenlader nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung (793) bei dem Abgasauslaß (28) benachbarter Endstel­ lung des Arbeitskolbens (712) unter Bildung eines Auslaßspaltes den Schließkörper (743) geringfügig vom Abgasauslaß (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 gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Schließkörper (343) und dem Arbeitskolben (312) ein Anschlag (333) vorgesehen ist, der geeignet ist, zwischen einer am Schließkör­ per (343) ausgebildeten, dem Arbeitskolben (312) zugewandten Kolbenfläche und dem Arbeitskolben einen Abstand freizuhalten, und daß der Schließkörper durch die ihn abstützende Feder (337) in Richtung auf den Arbeitskolben (312) belastet ist.