Ein Freikolbenmotor ist im Prinzip ein nach dem 2-Takt-Verfah- ren arbeitender Verbrennungsmotor, bei dem anstelle eines Kurbel- triebes ein Hydraulikkreis mit Kolbenpumpe als Antriebsstrang nach- geschaltet ist. Dazu ist der Motorkolben mit einem Hydraulikzylinder verbunden, über den die während eines Motorarbeitstaktes erzeugte translatorische Energie ohne den klassischen Umweg über die Rotati- onsbewegung eines Kurbeltriebes direkt dem hydraulischen Arbeitsme- dium zugeführt wird. Der nachgeschaltete, speicherfähige Hydraulik- kreislauf ist derart ausgelegt, daß er die abgegebene Arbeit auf- nimmt, zwischenspeichert und je nach Leistungsbedarf einer hydrauli- schen Abtriebseinheit, beispielsweise einer Axialkolbenmaschine zu- führt.

In der DE 40 24 591 A1 ist ein Freikolbenmotor der gattungsge- mäßen Art beschrieben, der auch als Brandl-Freikolbenmotor bekannt ist. Bei diesem Konzept erfolgt die Kompressionsbewegung des Motor- kolbens durch Zusammenwirken mit einem Hydraulikkolben, der über ein 2/3-Wege-Umschaltventil mit einem Hochdruckspeicher oder einem Nie- derdruckspeicher verbindbar ist. Zu Beginn des Kompressionshubes er- folgt eine Beschleunigung des Motorkolbens durch Beaufschlagen des Hydraulikzylinders mit dem Druck im Hochdruckspeicher. Bei Erreichen einer vorbestimmten Motorkolbengeschwindigkeit wird der Hydraulikzy- linder über das Umschaltventil mit dem Niederdruckspeicher verbun- den, so daß der weitere Kompressionshub des Motorkolbens gegen die wirksame Kraft aus dem Kompressionsdruck des Arbeitsgases erfolgt.

Nach dem Erreichen des äußeren Totpunktes (AT) wird das Arbeitsgas gezündet und der Motorkolben in Richtung des inneren Totpunktes (IT) beschleunigt. Während dieser Kolbenbewegung vom AT zum IT wird über das Umschaltventil die Verbindung zum Hochdruckspeicher aufgesteu-

ert, so daß der Motorkolben abgebremst und dessen kinetische Energie in potentielle hydraulische Energie umgewandelt und der Hochdruck- speicher geladen wird. Obwohl die Schaltzeiten des Umschaltventiles im Millisenkundenbereich liegen, entstehen beim Auf-und Zusteuern der Verbindung zum Hochdruckspeicher im Umschaltventil Drosselverlu- ste, die in der Größenordnung von 10 % der Motorleistung liegen kön- nen.

Diese Nachteile des Brandl-Freikolbenmotors lassen sich mit ei- ner anderen Freikolbenbauart, dem sogenannten INNAS-Motor ausräumen, wie er beispielsweise in der EP 0613521 B1 offenbart ist. Ein derar- tiger Motor hat jedoch einen äußerst komplexen Aufbau, so daß der vorrichtungstechnische Aufwand wesentlich größer als bei einem Brandl-Motor ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den gat- tungsgemäßen Freikolbenmotor derart weiterzubilden, daß die Drossel- verluste bei minimalem vorrichtungstechnischen Aufwand verringert sind.

Diese Aufgabe wird durch einen Freikolbenmotor mit den Merkma- len des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist zwischen einem einen Hydraulikkolben auf- nehmenden Hydraulikzylinder und einem Umschaltventil zur wahlweisen hydraulischen Verbindung des Hydraulikzylinders mit einer Hochdruck- speichereinrichtung oder einem Niederdruckspeicher eine Ventilanord- nung mit einem Steuerkolben geschaltet, über den der Hydraulikkolben mit einer vom Ausgangsdruck am Umschaltventil oder vom Druck im Hochdruckspeicher abhängigen Druckkraft beaufschlagbar ist.

Da zur Ansteuerung des Motorkolbens lediglich der auf den Ven- tilkörper der Übersetzungsventilanordnung wirkende Druck auf-bzw. abgebaut werden muß, kann das Umschaltventil für einen wesentlich geringeren Durchfluß als beim Stand der Technik ausgelegt werden, so

daß kurze Schaltzeiten bei minimalen Drosselverlusten realisierbar sind.

Der Steuerkolben ist erfindungsgemäß mit einer Steuerkante aus- geführt, über die eine Verbindung zum Hochdruckspeicher aufsteuerbar ist. Der Steuerkolben holt sich somit seine Schaltenergie über seine eigene Steuerkante aus der Hochdruckspeichereinrichtung, so daß die über das Umschaltventil strömende Druckmittelmenge lediglich zur In- itiierung der Aufsteuerbewegung des Steuerkolbens benötigt wird und somit minimal ist.

Durch das erfindungsgemäße Zwischenschalten der Ventilanordnung können die über das Umschaltventil strömenden Druckmittelmengen mi- nimiert werden, so daß die Druckverluste beim Öffnen und Schließen der Verbindung zum Hochdruckspeicher minimal sind.

Die Querschnittsfläche des Steuerkolbens wird vorteilhafter Weise größer als diejenige des Hydraulikkolbens ausgebildet, so daß aufgrund des gewählten Übersetzungsverhältnisses ein vergleichsweise geringer Hub des Steuerkolbens ausreicht, um eine hinreichende Be- schleunigung des Motorkolbens zu bewirken.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Öffnungsbewegung des Steuerkolbens durch einen Anschlag begrenzt. Nach dem Auflaufen des Steuerkolbens auf diesen Anschlag erfolgt kein weiterer Druck- aufbau im Hydraulikzylinder, so daß keine weitere Beschleunigung des Motorkolbens erfolgt. D. h., erfindungsgemäß wird das beim Stand der Technik erforderliche Schließen des Umschaltventils durch das Auf- laufen des Steuerkolbens auf den Anschlag ersetzt, so daß die beim Schließen des Umschaltventils auftretenden Drosselverluste praktisch nicht auftreten können. Dieser Anschlag kann verstellbar ausgeführt sein, um die Maximalgeschwindigkeit des Motorkolbens anpassen zu können.

Die Rückstellung des Steuerkolbens während des Verbrennungshu- bes erfolgt im wesentlichen durch die Kraft der Steuerfeder, wobei

für diesen Schließvorgang genügend Zeit zur Verfügung steht und ebenfalls praktisch keine Drosselverluste auftreten.

Das Laden der Hochdruckspeichereinrichtung während des Verbren- nungshubes des Motorkolbens erfolgt über einen Hochdruckkanal, in dem ein Rückschlagventil vorgesehen ist. Dieser Hochdruckkanal kann bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Freikolbenmotors über eine weitere Steuerkante des Steuerkolbens auf-bzw. zugesteu- ert werden, so daß der Ladevorgang von der Position des Steuerkol- bens abhängig ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Freikolbenmotors kann in dem zur Hochdruckspeichereinrichtung füh- renden Hochdruckkanal ein Wegeventil vorgesehen werden, über das ei- ne das darin vorgesehende Rückschlagventil umgehende Bypassleitung auf-bzw. zusteuerbar ist. Durch dieses Wegeventil kann der Hydrau- likkolben während des Kompressionshubes direkt mit dem Druck in der Hochdruckspeichereinrichtung beaufschlagt werden, während der Steu- erkolben zunächst in seiner Schließstellung verbleibt. Nachdem der Hydraulikkolben eine vorbestimmte Beschleunigung oder Geschwindigkeit erreicht hat, wird dann die Bypassleitung zugesteu- ert, so daß die weitere Bewegung des Hydraulikkolbens in der vorbe- schriebenen Weise durch den Steuerkolben bestimmt ist.

Das Wegeventil kann optional mit einer Schaltstellung versehen werden, in der der Hochdruckkanal mit dem Tank verbindbar ist, so daß der Freikolben praktisch ohne Gegendruck in Richtung seines in- neren Totpunkts fahrbar ist.

Bei einer anderen vorteilhaften Variante des Freikolbenmotors ist der Steuerkolben als Stufenkolben ausgeführt, wobei die in Öff- nungsrichtung wirksame Ringfläche über den Niederdruckkanal mit ei- nem Rückschlagventil mit dem Niederdruckspeicher verbunden ist. In Schließrichtung wird die größere Ringstirnfläche des Steuerkolbens mit dem Druck im Hydraulikzylinder des Hydraulikkolbens und durch die Kraft der Steuerfeder beaufschlagt. Bei dieser Variante wird

während der gesamten Öffnungsbewegung des Steuerkolbens Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher angesaugt. Durch dieses gleichmäßige Nachsaugen von Druckmittel über praktisch den gesamten Bewegungsbe- reich des Steuerkolbens können Kavitationen im Hydraulikzylinder verhindert werden, die bei den vorbeschriebenen Lösungen auftreten können, da dort das Nachsaugen im wesentlichen dann erfolgt, wenn der Hydraulik-bzw. Motorkolben seine Maximalgeschwindigkeit beim Auflaufen des Steuerkolbens auf den Anschlag erreicht hat.

Der Ringraum des Stufenkolbens ist über einen Druckkanal mit dem Hochdruckspeicher verbunden, so daß bei der Rückbewegung des Steuerkolbens ein Aufladen der Hochdruckspeichereinrichtung erfolgt.

Die rückwärtige Umfangskante der größeren Stirnfläche des stu- fenförmig ausgebildeten Steuerkolbens wird vorzugsweise derart aus- gebildet, daß diese kurz vor dem Auflaufen des Steuerkolbens auf seinen Ventilsitz den Hochdruckkanal aufsteuert, so daß die kineti- sche Energie des Motor-bzw. Hydraulikkolbens zum Laden der Hoch- druckspeichereinrichtung ausgenutzt wird.

Vorversuche zeigten, daß der Druck in der Hochdruckspeicherein- richtung aufgrund anderer angeschlossener Verbraucher relativ stark schwanken kann, was zu Unstetigkeiten während des Kompressionshubes des Freikolbenmotors führen kann. Um diesen Nachteil auszuräumen, wird in einer weiteren vorteilhaften Variante vorgeschlagen, die Hochdruckspeichereinrichtung mit einem Mitteldruckspeicher und einem Hochdruckspeicher auszuführen, wobei die für den Kompressionshub er- forderliche Energie dem Mitteldruckspeicher entnommen wird. Dieser ist über eine geeignete Ventileinrichtung an den Hochdruckspeicher angeschlossen und wird auf einen Druckniveau gehalten, das unterhalb des Minimalniveaus des Hochdruckspeichers liegt. Bei Überschreiten eines Grenzdrucks kann der Druck im Mitteldruckspeicher zum Nieder- druckspeicher hin abgebaut werden.

Bei der Rückbewegung des Motorkolbens zum inneren Totpunkt hin wird dann vorteilhafter Weise der den Mitteldruckspeicher speisende Hochdruckspeicher aufgeladen.

Bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Freikolbenmo- tors wird der Hydraulikkolben als Differentialkolben ausgeführt, wo- bei ein vom Differentialkolben begrenzter Ringraum während des Ex- pansionshubes und der Ringraum eines abgestuften Steuerkolbens wäh- rend des Kompressionshubes mit dem Niederdruckspeicher verbindbar sind.

Der erfindungsgemäße Freikolbenmotor läßt sich besonders kom- pakt ausbilden, wenn die Übersetzungsventilanordnung koaxial zur Mo- torkolbenachse ausgeführt ist.

Die Ventilanordnung wird vorzugsweise als Logikventil oder Schieberventil ausgeführt.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen- stand der weiteren Unteransprüche.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfin- dung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungs- beispiels eines Freikolbenmotors ; Figuren 2 bis 6 verschiedene Arbeitsphasen des in Figur 1 dar- gestellten Ausführungsbeispiels ; Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemäßen Freikolbenmotors ; Figur 8 ein Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotors mit ei- nem Wegeventil zur hydraulischen Begrenzung der Motorkolbengeschwin- digkeit ;

Figur 9 ein Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotors mit ei- nen als Stufenkolben ausgeführten Steuerkolben Figur 10 eine Variante des Freikolbenmotors gemäß Figur 9 mit einem als Differentialzylinder ausgeführten Hydraulikkolben und Figur 11 ein Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotors mit ei- nem Mitteldruckspeicher.

Figur 1 zeigt eine stark vereinfachte, schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Freikolbenmotors 1. Dieser hat ein Motorge- häuse 2, durch das zumindest ein Verbrennungszylinder 4 (rechts von der strichpunktierten Linie in Figur 1) und ein Hydraulikzylinder 6 (links von der strichpunktierten Vertikal-Linie) begrenzt sind.

In einer Zylinderbohrung 8 des Verbrennungszylinders 4 ist ein Motorkolben 10 geführt, über den die Zylinderbohrung 8 in einen Ver- brennungsraum 16 und einen Einlaßraum 18 unterteilt ist. In der dar- gestellten Wartestellung des Freikolbenmotors 1 befindet sich der Motorkolben 10 an seinem inneren Totpunkt (IT), wobei ein Auslaßka- nal 14 aufgesteuert ist, so daß Verbrennungsgase aus dem Verbren- nungsraum 16 abströmen können. Die Zuführung von Frischgas erfolgt über einen in den rückseitigen Einlaßraum 18 mündenden Einlaßkanal 20 mit Einlaßventil. Der Einlaßraum 18 und der Verbrennungsraum 16 sind mittels eines Überströmkanals 22 miteinander verbunden.

Die Einspritzung des Kraftstoffes in den Verbrennungsraum 16 erfolgt über ein Einspritzventil 24 im Zylinderkopf des Verbren- nungszylinders 4. Zur Kühlung des Freikolbenmotors 1 sind in der Um- fangswandung des Verbrennungszylinders 4 Kühlkanäle 27 ausgebildet.

Insofern entspricht der Freikolbenmotor 1 einem herkömmlichen Zwei- taktmotor, so daß weitere Ausführungen entbehrlich sind.

Der Motorkolben 10 trägt einen Hydraulikkolben 26, dessen Durchmesser wesentlich geringer als derjenige des Motorkolbens 10

ist. Dieser Hydraulikkolben 26 taucht in eine gestufte Axialbohrung 28 des Hydraulikzylinders 6 ein.

In der vom Hydraulikkolben 26 durchsetzten Verbindungsbohrung zwischen der Axialbohrung 28 und dem Einlaßraum 18 sind geeignete Dichteinrichtungen vorgesehen, so daß die im Verbrennungszylinder 4 und im Hydraulikzylinder 6 aufgenommenen Medien voneinander getrennt sind.

In der Axialbohrung 28 des Hydraulikzylinders mündet ein radial angeordneter Hochdruckkanal 30, der über ein Rückschlagventil 32 mit einem Hochdruckspeicher 34 verbunden ist. In entsprechender Weise ist ein Niederdruckspeicher 36, beispielsweise ein Druckmitteltank, über einen Niederdruckkanal 38 und ein Rückschlagventil 40 mit dem durch die Axialbohrung 28 begrenzten Raum verbunden. Das Rückschlag- ventil 40 unterbindet eine Rückströmung des in der Axialbohrung 28 aufgenommenen Druckmittels zum Niederdruckspeicher 36, während das Rückschlagventil 32 eine Rückströmung des im Hochdruckspeicher 34 aufgenommenen Druckmittels in die Axialbohrung 28 verhindert.

Der Hydraulikkolben 26 durchsetzt die Axialbohrung 28 und taucht in einen Steuerraum 42 ein, in dem ein als Logikkolben ausge- führter Steuerkolben 44 geführt ist. Dieser ist mittels einer Steu- erfeder 46 gegen einen Ventilsitz 48 vorgespannt.

In dem an den Ventilsitz 48 angrenzenden Bereich des Steuerraums 42 mündet ein Druckkanal 50, der einerseits mit dem Hochdruckspeicher 34 und andererseits mit einem Eingangsanschluß P eines Umschaltventils 52 verbunden ist.

Ein an die Stirnfläche des Steuerkolbens 44 angrenzender Vor- steuerraum 54 ist über einen Steuerkanal 56 mit einem Ausgangs-oder Arbeitsanschluß A des Umschaitventils 52 verbunden. Dieses ist als elektrisch oder elektrohydraulisch angesteuertes 3/2-Wegeventil aus- geführt, das über die nicht dargestellte Motorsteuerung ansteuerbar ist. Neben den vorbeschriebenen Ausgangs-und Druckanschlüssen A, P

hat das Umschaltventil 52 des weiteren noch einen Tankanschluß T, der an einen Tank oder den Niederdruckspeicher 36 angeschlossen ist.

In der dargestellten Grundposition des Umschaltventils 52 sind der Tankanschluß T und der Arbeitsanschluß A miteinander verbunden, während der Druckanschluß P abgesperrt ist. In einer Schaltstellung des Umschaltsventils 52 wird der Druckanschluß P mit dem Arbeitsan- schluß A verbunden und der Tankanschluß T abgesperrt. Gemäß Figur 1 sitzt der Steuerkolben 44 in der Grundposition des Freikolbenmotors 1 auf dem Ventilsitz 48 auf, so daß der Vorsteuerraum 54 und der Steuerraum 42 gegeneinander abgesperrt sind. Dabei wird der Steuer- kolben 44 des Logikventils durch die Kraft der Steuerfeder 46 und durch den Druck in der Axialbohrung 28 und damit im rückseitigen Steuerraum 42 in Schließrichtung beaufschlagt, während er in Öff- nungsrichtung durch den Druck im Vorsteuerraum 54 beaufschlagt ist.

Wenn im Vorsteuerraum 54 und im Steuerraum 42 der Druck im Nie- derdruckspeicher 36 wirkt, wird der Steuerkolben 44 somit im wesent- lichen durch die Kraft der Feder gegen den Ventilsitz 48 gedrückt.

Im Verbrennungsraum 16 befindet sich Frischgas, das durch den Überströmkanal 22 hindurch aus dem Einlaßraum 18 verdrängt wurde.

Zur Kompression des Frischgases wird das Umschaltventil 52 über die Motorsteuerung in eine zweite Schaltposition gebracht, in der gemäß Figur 2 der Druckanschluß P mit dem Arbeitsanschluß A verbun- den sind, so daß Druckmittel aus dem Hochdruckspeicher 34 über den Druckkanal 50 und den Steuerkanal 56 in den Vorsteuerraum 54 einge- speist wird. D. h., die Stirnfläche des Steuerkolbens 44 wird mit Hochdruck beaufschlagt, während im Steuerraum 42 noch Niederdruck wirksam ist. Durch die Druckdifferenz wird der Steuerkolben 44 von seinem Ventilsitz 48 abgehoben und über die durch die Umfangskante des Steuerkolbens 44 gebildete Steuerkante 58 die Verbindung zwi- schen dem Vorsteuerraum 54 und dem Druckkanal 50 aufgesteuert. Der Steuerkolben bekommt somit seine Beschleunigungsenergie in Abhängig- keit von der Steuerkantenöffnung, über die die Stirnfläche des Steu-

erkolbens 44 direkt mit dem Druck im Hochdruckspeicher 34 beauf- schlagt wird. Aufgrund der daraus resultierenden Axialbewegung des Steuerkolbens 44 wird auch der Hydraulikkolben 26 beschleunigt und entsprechend der Motorkolben 10 in der Darstellung nach Figur 2 nach rechts bewegt-der Auslaßkanal 14 und der Überströmkanal 22 werden durch den Motorkolben 10 zugesteuert und das im Verbrennungsraum 16 vorhandene Frischgas wird komprimiert.

Durch das Rückschlagventil 40 wird verhindert, daß während der Steuerkolbenbewegung Druckmittel aus der Axialbohrung 28 in den Nie- derdruckspeicher 36 abströmt.

Aufgrund der Bewegung des Motorkolbens 10 zum äußeren Totpunkt AT hin wird Frischgas durch den Einlaßkanal 20 in den Einlaßraum 18 eingesaugt.

Gemäß Figur 3 läuft der Steuerkolben 44 nach einer vorbestimm- ten Strecke D auf einen Anschlag 60 im Steuerraum 42 auf. Der auf seine Maximalgeschwindigkeit beschleunigte Motorkolben 10 bewegt sich aufgrund seiner Massenträgheit weiter zum AT hin, wobei durch den in der Axialbohrung 28 entstehenden Unterdruck Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher 36 über das Rückschlagventil 40 und den Nie- derdruckkanal 38 angesaugt wird. Die Position des Anschlags 60 ist so gewählt, daß die kinetische Energie des Motorkolbens 10 zum Zeit- punkt des Auflaufens des Steuerkolbens 44 auf den Anschlag 60 aus- reicht, um den Motorkolben 10 gegen den polytrop anwachsenden Kom- pressionsdruck des Frischgases im Verbrennungsraum 16 zum AT hin zu bewegen. Dabei wird der Motorkolben 10 durch den Kompressionsdruck abgebremst und kommt im AT zu stehen.

Diese Phase ist in Figur 4 dargestellt. Sobald der Motorkolben 10 in seinem AT abgebremst ist, wird Kraftstoff in den Verbrennungs- raum 16 eingespritzt und durch die hohe Temperatur des Frischgases gezündet, so daß der Motorkolben durch den sich aufbauenden Verbren- nungsdruck im Verbrennungsraum 16 vom AT in Richtung zum IT be- schleunigt wird (Figur 5). Aufgrund der daraus resultierenden Bewe-

gung des Hydraulikkolbens 26 hin zum Steuerkolben 44 baut sich in der Axialbohrung 28 und damit im Steuerraum 42 ein Druck auf, der gleich dem Druck im Speicher 34 abzüglich dem Druckäquivalent der Feder 46 ist, so daß der Steuerkolben durch die aus diesem Druck re- sultierende Kraft und die Kraft der Steuerfeder 46 von seinem An- schlag 60 abgehoben, um die Strecke D verschoben und gegen seinen Ventilsitz 48 gedrückt wird. Dadurch wird die direkte Verbindung zum Hochdruckspeicher 34 zugesteuert, so daß der Steuerkolben 44 ledig- lich noch über das sich in seiner dargestellten Schaltposition be- findliche Umschaltventil mit Hochdruck in Öffnungsrichtung beauf- schlagt ist.

Nach dem Schließen des Logikventils steigt der Druck in der Axialbohrung 28 und im Steuerraum 42 auf den im Speicher 34 herr- schenden Druck an.

Die weitere Bewegung des Motorkolbens 10 und des Hy- draulikkolben 26 erfolgt gegen diesen Druck, so daß der Motorkolben 10 seine kinetische Energie gegen den Speicherdruck abbaut und abge- bremst wird. Durch den Druckanstieg bei geschlossenem Logikventil wird das Rückschlagventil 32 geöffnet und der Hochdruckspeicher 34 über den Hochdruckkanal 30 geladen. Nahezu die gesamte kinetische Energie des Motorkolbens 10 wird somit in potentielle Hydraulikener- gie umgewandelt und direkt in den Hochdruckspeicher 34 eingespeist.

Während der Bewegung des Motorkolbens 10 zu seinem IT hin werden der Auslaßkanal 14 und der Überströmkanal 22 aufgesteuert, so daß Frischgas durch den Überströmkanal 22 hindurch in den Verbrennungskanal 16 eintritt und daß Abgas durch den Auslaßkanal 14 ausgespült wird.

Beim Erreichen des IT wird das Umschaltventil 52 in seine Grundposition umgeschaltet, so daß die Stirnfläche des Steuerkolbens 44 mit Niederdruck beaufschlagt ist. Die Kolbenlagen und Druckver- hältnisse entsprechen nunmehr den Ausgangsverhältnissen, wie sie an- hand Figur 1 beschrieben sind. Durch Umschalten des Umschaltventils 52 kann ein neuer Arbeitszyklus beginnen.

Die Beschleunigung des Motorkolbens 10 und damit das Verdichtungsverhältnis des Freikolbenmotors 1 wird beim vorbeschrie- benen Zyklus wesentlich durch die Länge der Strecke D beeinflußt, die der Steuerkolben 44 in der Beschleunigungsphase zurücklegt. Um während des Motorbetriebes abhängig vom Druck im Hochdruckspeicher 34 stets ein gleiches Verdichtungsverhältnis zu erreichen, kann der Anschlag 60 für den Steuerkolben 44 verstellbar ausgeführt sein.

Diese Verstellung kann beispielsweise über die Motorsteuerung erfol- gen.

Bei der in Figur 7 dargestellten Variante mündet der Hochdruckkanal 30 im Steuerraum 42. Dadurch wird bewirkt, daß der Hochdruckkanal 30 durch eine am Kolbenhemd des Steuerkolbens 44 aus- gebildete weitere Steuerkante 62 auf-bzw-zugesteuert wird, so daß die Steuerbewegung des Steuerkolbens 44 weiter optimiert ist und ein schnelles Schließen des Logikventils gewährleistet ist. Im übrigen entspricht das in Figur 7 dargestellte Ausführungsbeispiel dem vor- beschriebenen Ausführungsbeispiel, so daß weitere Erläuterungen ent- behrlich sind.

Anstelle des bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen verwendeten Logikventils (Sitzventil) kann selbstverständlich auch ein Schieberventil verwendet werden.

Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Achse des Logikventils koaxial zur Achse des Verbrennungszylinders ausge- führt. Selbstverständlich sind auch andere Relativpositionen reali- sierbar, bei denen die hydraulische Verbindung zum Hydraulikzylinder 6 gewährleistet ist.

In Figur 8 ist ein Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotors dargestellt, bei dem der Hydraulik-oder Arbeitskolben 26 über ein Wegeventil 70 direkt mit dem Hochdruck im Hochdruckspeicher 34 be- aufschlagbar ist. Der Grundaufbau des in Figur 8 dargestellten Frei- kolbenmotors entspricht dem in Figur 1 dargestellten

Ausführungsbeispiel, so daß im folgenden nur die neu hinzukommenden Komponenten beschrieben werden. Gemäß Figur 8 kann das Rückschlag- ventil 32 über eine Bypassleitung 72 umgangen werden, in die das We- geventil 70 geschaltet ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Wegeventil mit drei Schaltpositionen ausgeführt, wobei in der Schaltposition a die Bypassleitung 72 geöffnet ist und eine Ver- bindung zum Tank abgesperrt ist. In der Grundposition 0 ist sowohl die Verbindung zum Tank als auch die Bypassleitung 72 abgesperrt. In der mit b gekennzeichneten Schaltposition kann der Bereich des Hoch- druckkanals 30 stromaufwärts des Rückschlagventils 32 mit dem Tank verbunden werden, so daß der Druck in der Axialbohrung 28 zum Tank hin abbaubar ist.

Zur Einleitung des Kompressionshubs wird wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen das Umschaltventil 52 in die Arbeitsposition gebracht, so daß die linke Stirnfläche des Steuer- kolbens 44 mit dem Druck im Hochdruckspeicher 34 beaufschlagt ist.

Das Wegeventil 70 wird in die a dargestellte Schaltposition ge- bracht, in der Rückschlagventil 32 umgangen wird, so daß der Druck im Hydrospeicher 34 auch in der Axialbohrung 28 und somit an der Rückseite des Steuerkolbens 44 wirkt. Aufgrund des hydraulischen Kräftegleichgewichts wird der Steuerkolben 44 dann durch die Kraft der Steuerfeder 46 in seine Schließposition vorgespannt.

Durch den Druck in der Axialbohrung 28 wird der Hydraulikkolben 26 beschleunigt und somit der Kompressionshub des Motorkolbens 10 eingeleitet. Nachdem der Hydraulikkolben 26 und/oder der Motorkolben 10 eine vorbestimmte Maximalgeschwindigkeit, beispielsweise 5 m/s erreicht hat, wird das Wegeventil 70 in seine mit 0 gekennzeichnete Sperrposition gebracht, so daß die Bypassleitung 72 abgesperrt und die Druckmittelzufuhr aus dem Hochdruckspeicher 34 in die Axialboh- rung 28 verhindert wird. Daraufhin hebt der Steuerkolben 44 von sei- nem Ventilsitz 48 ab, so daß die weitere Bewegung des Motorkolbens 10 durch die Axialbewegung des Steuerkolbens 44 bestimmt ist.

Durch das Zwischenschalten des Wegeventils 70 läßt sich somit vor Wirksamwerden des Steuerkolbens 44 eine variable Anfangsgeschwindigkeit des Motorkolbens 10 einstellen. Diese varia- ble Anfangsgeschwindigkeit kann in Abhängigkeit von den Betriebsbe- dingungen und vom Öffnungshub und von der Öffnungszeit durch An- steuerung des Wegeventils 70 angepaßt werden.

Bei langen Öffnungszeiten der Bypassleitung 72 kann man bei- spielsweise mit vergleichsweise geringen Axialbewegungen des Steuer- kolbens 44 auskommen, so daß eine kompaktere Bauweise möglich ist.

Hierzu muß allerdings das Wegeventil 70 mit einer entsprechend gro- ßen Nennweite ausgeführt werden. Gibt man sich mit relativ geringen Anfangsgeschwindigkeiten des Motorkolbens 10 zufrieden, so kann das Wegeventil 70 sehr klein ausgeführt werden, so daß aufgrund der ge- ringen Druckmittelströme ein schnelles Schalten und geringe Verluste im Bereich des Wegeventils 70 auftreten. In der Schaltstellung b ist die Axialbohrung 28 druckentlastet, so daß der Hydraulikkolben 26 bzw. der Motorkolben 10 bei einer Fehlzündung nach dem Umschalten weiter zum inneren Totpunkt (IT) bewegt werden kann.

In Figur 9 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das hin- sichtlich des Grundaufbaus dem in Figur 7 dargestellten Ausführungs- beispiel entspricht. Das heißt, auch bei der in Figur 9 dargestell- ten Variante wird der Hochdruckkanal 30 durch eine rückwärtige Steu- erkante 72 des Steuerkolbens 44 auf-bzw. zugesteuert.

Der wesentliche Unterschied bei dem in Figur 9 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt darin, dass der Steuerkolben 44 als Stu- fenkolben ausgebildet ist, wobei ein radial erweiterter Ringbund 74 in einem entsprechend erweiterten Abschnitt 76 des den Steuerkolben 44 aufnehmenden Steuerraumes 78 gebildet ist.

Der Hochdruckkanal 30 mündet in der Schließposition des Steuer- kolbens 44 in dem von der größeren Stirnfläche des Steuerkolbens 44 begrenzten Raum 78, während ein weiterer Druckkanal 80 im von der Ringstirnfläche des Stufenkolbens 44 begrenzten Ringraum 82 mündet.

Dieser Druckkanal 80 ist mit dem Hochdruckspeicher 84 verbunden, wo- bei ein Rückschlagventil 84 eine Strömung vom Hochdruckspeicher 34 in den Ringraum 82 ähnlich wie das im Hochdruckkanal 30 angeordnete Rückschlagventil 32 verhindert.

Bei dem in Figur 9 dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Rückschlagventil 32 über eine Bypassleitung 72 umgangen werden, in die ein Dosierventil 86 geschaltet ist, dessen Funktion im Prinzip dem Wegeventil 70 aus dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ent- spricht.

Der die Verbindung zum Niederdruckspeicher 36 herstellende Nie- derdruckkanal 38 mündet ebenfalls in dem Ringraum 32, so dass der Steuerkolben 44 durch den Druck im Niederdruckspeicher 36 in Öff- nungsrichtung beaufschlagt ist. Die Kraft der Steuerfeder 46 muß demnach derart ausgelegt werden, dass sie den Steuerkolben 44 in der Grundposition gegen den Druck im Niederdruckspeicher 36 gegen den Ventilsitz 48 drückt.

Zum Einleiten des Kompressionshubes wird das Umschaltventil 52 in die Arbeitsposition gebracht, so dass der Steuerkolben 44 vom Ventilsitz 48 abhebt und der Hydraulikkolben 26 sowie der Motorkol- ben 10 beschleunigt werden. Während der Bewegung des Steuerkolbens 44 wird von Anfang an Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher 36 über den Niederdruckkanal 38 angesaugt, so dass die Öffnungsbewegung durch den Druck im Niederdruckspeicher 36 unterstützt ist.

Falls dies zur Kompensation von Reibungsverlusten, Temperatur- änderungen etc. erforderlich ist, kann-ähnlich wie beim vorbe- schriebenen Ausführungsbeispiel-über das Dosierventil 36 der Hy- draulikkolben 26 direkt mit dem Druck im Hydrospeicher 34 beauf- schlagt werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Anschlag 60 in einem derartigen Axialabstand zum Steuerkolben 44 ausgebildet, daß dieser keine Wirkung entfaltet. D. h., beim Betrieb des Freikol-

benmotors 1 wird der Steuerkolben 44 in seiner in Öffnungsrichtung gesehenen Endlage durch ein Kräftegleichgewicht und nicht durch ein Auflaufen auf einen Anschlag abgestoppt. Diese Endlage des Steuer- kolbens 44 wird dann erreicht, wenn der Motorkolben 10 seinen äuße- ren Totpunkt AT erreicht.

Aufgrund des sich einstellenden Kräftegleichgewichtes kommen sowohl der Motorkolben 10 als auch der Steuerkolben 34 am äußeren Totpunkt AT zum Stillstand und es erfolgt durch Einspritzen des Kraftstoffes über das Einspritzventil 24 das Zünden des Gemisches- der Motorkolben 10 und der Steuerkolben 44 bewegen sich zurück in ihre Grundposition. Durch die Rückbewegung des Steuerkolbens 44 wird das im Ringraum 82 befindliche Druckmittel über den Druckkanal 80 und das Rückschlagventil 84 in den Hochdruckspeicher 34 gefördert und dieser somit aufgeladen. Nach einer vorbestimmten Axialverschiebung des Steuerkolbens 44 wird über die Steuerkante 62 des Steuerkolbens 44 der Hochdruckkanal 30 aufgesteuert, so dass kurz vor dem Auflaufen des Steuerkolbens 44 auf den Ventilsitz 48 die kinetische Energie des Motorkolbens 10 zum Laden des Hydrospei- chers 34 über den Hochdruckkanal 30 und das Rückschlagventil 32 aus- genutzt wird. Nach dem Auflaufen des Steuerventils 44 auf den Steu- ersitz 48 wird das Umschaltventil 52 umgeschaltet, so dass die klei- nere Stirnfläche des Steuerkolbens 44 zum Tank bzw. Niederdruck hin entlastet ist-der Zyklus kann von neuem beginnen.

Figur 10 zeigt eine Variante der in Figur 9 dargestellten Aus- führungsform, bei der der Arbeits-oder Hydraulikkolben 26 als Dif- ferentialkolben ausgeführt ist, wobei der radial zurückgesetzte Teil zum Motorkolben 10 hin orientiert ist. Der radial zurückgesetzte Teil des Hydraulikkolbens 26 bildet mit der Axialbohrung 28 einen weiteren Ringraum 88, der über eine Niederdruckleitung 90 und ein Rückschlagventil 92 mit dem Niederdruckspeicher 36 sowie über einen Verbindungskanal 94 und ein Rückschlagventil 96 mit dem von der grö- ßeren Stirnfläche des Steuerkolbens 44 begrenzten Raum 78 verbunden ist. Während des Kompressionshubes wird das sich im weiteren Ring- raum 88 befindliche Druckmittel über den Verbindungskanal 94 und das

Rückschlagventil 96 zum Raum 78 hin verdrängt. Bei der Rückbewegung des Motorkolbens 10 zum inneren Totpunkt IT hin wird über die Nie- derdruckleitung 90 und das Rückschlagventil 92 Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher 36 in den Ringraum 88 angesaugt. Das heißt, beim Kompressionshub kann Druckmittel in den steuerkolbenseitigen Raum 78 einströmen, während beim Expansionshub Druckmittel aus dem Nieder- druckspeicher 36 in den Ringraum 88 einströmen kann. Der besondere Vorteil gegenüber der vorbeschriebenen Lösung besteht somit darin, dass das Druckmittel während des Kompressionshubes aus dem Nieder- druckspeicher 36 über den Niederdruckkanal 38 sowie das Rückschlag- ventil 40 in den Ringraum 82 und während des Expansionshubes über die Niederdruckleitung 90, das Rückschlagventil 92 in den weiteren Ringraum 88 einströmen kann. Die Druckmittelsäule muß somit im Tot- punkt des Motorkolbens 10 nicht abgestoppt werden sondern kann prak- tisch zirkulieren, so dass der Wirkungsgrad des Freikolbenmotors 1 gegenüber der in Figur 9 dargestellten Lösung verbessert ist.

In Figur 11 ist schließlich ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das hinsichtlich des Grundaufbaus dem in Figur 7 darge- stellten Ausführungsbeispiel entspricht. Bei der in Figur 11 darge- stellten Variante ist neben dem Hochdruckspeicher 34 und dem Nieder- druckspeicher 36 ein weiterer Mitteldruckspeicher 98 vorgesehen, der an den Druckkanal 50 angeschlossen ist, so dass die in Figur 11 linke Stirnfläche des Steuerkolbens 44 durch den Druck im Mittel- druckspeicher 98 beaufschlagt ist, wenn das Halteventil 52 in seine Arbeitsposition gebracht wird. Der Mitteldruckspeicher 98 ist über eine Leitung 100 mit einem Steuerventil 102 mit dem stromabwärts der Rückschlagventils 32 gelegenen Teils des Hochdruckkanals 30 verbun- den. In entsprechender Weise ist der Mitteldruckspeicher 98 mittels einer weiteren Leitung 104 und einem weiteren Steuerventil 106 mit dem Niederdruckspeicher 36 verbunden.

Bei der in Figur 11 dargestellten Lösung ist der Hoch- druckspeicher 34 über das Rückschlagventil 32 an den Hochdruckkanal 30 angeschlossen. Dieser wird bei der Rückbewegung des Steuerkolbens 44 von seiner Anschlagposition über die Steuerkante 62 aufgesteuert.

Das Druckniveau des Mitteldruckspeichers 98 liegt zwischen dem- jenigen des Hochdruckspeichers 34 und des Niederdruckspeichers 36.

In der Grundposition sind die beiden Steuerventile 102 und 106 ge- schlossen, so dass beim Umschalten des Umschaltventils 52 in seine Arbeitsposition die Stirnfläche des Steuerkolbens 44 mit dem Druck im Mitteldruckspeicher 98 beaufschlagt ist. Das heißt, die Beschleu- nigung des Motorkolbens 10 ist im wesentlichen vom Druck im Mittel- druckspeicher 98 abhängig. Dieser Druck kann durch geeignete An- steuerung der Steuerventile 102,106 auf einem konstanten Niveau ge- halten werden.

Beim Absinken des Druckes im Mitteldruckspeicher 98 unter ein vorbestimmtes Niveau wird das Steuerventil 102 aufgesteuert, so dass der Mitteldruckspeicher 98 über den Hochdruckspeicher 34 aufgeladen wird. Bei Überschreiten des vorbestimmten Druckniveaus wird das an- dere Steuerventil 106 aufgesteuert, so dass Druck zum Niederdruckspeicher 36 hin abgebaut werden kann.

Während des Expansionshubes wird nach dem Aufsteuern des Hoch- druckkanals 30 der Hochdruckspeicher 34 aufgeladen. Durch diese Lö- sung ist die Druckversorgung des Freikolbenmotors im wesentlichen unabhängig von äußeren Einflüssen und von Druckschwankungen im Hoch- druckspeicher 34, die beispielsweise beim Ansteuern von weiteren Verbrauchern auftreten können, die an diesen Hochdruckspeicher 34 angeschlossen sind.

Die vorbeschriebenen Varianten mit dem Wegeventil 70 zur direk- ten Druckbeaufschlagung des Hydraulikkolbens 26 dem Mitteldruckspeicher 98, dem als Stufenkolben ausgeführten Steuerkol- ben 44 und dem als Differentialkolben ausgeführten Hydraulikkolben 20 lassen sich praktisch in beliebiger Weise miteinander kombinie- ren, so dass die Erfindung keinesfalls auf die vorbeschriebenen Aus- führungsbeispiele beschränkt ist.

Offenbart ist ein Freikolbenmotor, dessen Motorkolben in Kom- pressionsrichtung über einen Hydraulikzylinder mit einer Kraft be- aufschlagbar ist. Dieser kann über ein Umschaltventil mit dem Druck in einer Hochdruckspeichereinrichtung oder in einem Niederdruckspei- cher verbunden werden. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Hydraulikzy- linder und dem Umschaltventil eine Ventilanordnung mit einem Steuer- kolben vorgesehen, durch dessen Steuerkante eine Verbindung zur Hochdruckspeichereinrichtung aufsteuerbar ist.