Membranpumpe, insbesondere zur Verwendung im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, und Verbrennungsmotor mit Membranpumpe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Membranpumpe, insbesondere zur Verwendung im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, mit einem Druckgehäuse, dessen Innenvolumen über eine Anzahl von elastisch verformbaren Membranen in eine Mehrzahl von gasseitig voneinander getrennten Teilvolumina aufgeteilt ist, wobei die oder jede Membran derart mit einer Vorspannkraft beaufschlagt ist, dass im drucklosen Zustand das die Primärseite bildende Teilvolumen im Rahmen der Verformbarkeit der oder jeder Membran einen Minimalwert aufweist. Sie betrifft weiter einen Verbrennungsmotor mit einer Anzahl von Zylindern, in denen jeweils ein auf eine gemeinsame Kurbelwelle wirkender Arbeitskolben geführt ist, wobei der Brennraum des oder jedes Zylinders jeweils einlassseitig über ein ansteuerbares Einlassventilsystem mit einem Gaseinlasssystem und auslassseitig über ein ansteuerbares Auslassventilsystem mit einer Auspuffanlage verbunden ist.

Membranpumpen kommen in weiten Bereichen technischer Applikationen zum Einsatz, wobei auch Anwendungen im Zusammenhang mit Verbrennungskraftmaschinen bereits diskutiert wurden. So beschreibt beispielsweise die FR 1 .031 .061 eine gasbetriebene Membranpumpe, die in das Zündkerzenloch eines Motorzylin- derkopfs eingeschraubt wird. Bei drehendem Motor wird die Membranpumpe durch die Druckpulsationen des entsprechenden Zylinders angetrieben und pumpt auf der Frischgasseite atmosphärische Luft für sekundäre Verwendungszwecke. In der FR 889.617 ist hingegen eine Membranpumpe beschrieben, die von Pulsationen der Abgase von Verbrennungsmotoren angetrieben wird. Die Abgaspulsationen wirken entweder unmittelbar auf die Membran oder mittelbar über einen in einem Zylinder geführten Kolben, der über eine Druckstange mit entsprechender Membran verbunden ist. Die FR 866.840 beschreibt wiederum eine gasbetriebene Membranpumpe, die ebenfalls von Pulsationen der Abgase von Verbrennungsmotoren angetrieben wird. Die Ausführung zeigt zwei parallel geschaltete Membranpumpen, die über eigenständige Abgasstränge von phasenversetzten Motorzylindern angetrieben werden, jedoch auf der Frischgasseite sowohl im Ansaugbereich als auch im Ausströmbereich miteinander verbunden sind.

Die eigentliche Einbindung der Membranpumpen in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors ist in diesen Druckschriften nicht näher erläutert. Ein Konzept, mit dem durch den Einsatz einer Membranpumpe als so genannte Abgasladepumpe im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors dessen Wirkungsgrad, Leistungsabgabe und/oder Effizienz deutlich gesteigert werden kann, ist aus den nicht vorveröffentlichten Anmeldungen EP 2 846 019 A1 und EP 2 846 020 A1 bekannt. Die Offenbarung dieser Anmeldungen, insbesondere betreffend die Ausgestaltungen der einzelnen Motorenkonzepte, die Einbindung der Membranpumpe als Abgasladepumpe in diesen Konzepten sowie die jeweiligen Betriebsweisen, wird ausdrücklich mit einbezogen („incorporation by reference").

Bei dem aus den nicht vorveröffentlichten Anmeldungen EP 2 846 019 A1 und EP 2 846 020 A1 bekannten Konzept erfolgt der Antrieb der Membranpumpe durch Pulsationen bzw. Druckschwankungen eines Antriebsgases, insbesondere des im Abgasstrang des Verbrennungsmotors geführten Abgases, das in die Primärseite der Membranpumpe geleitet wird und seinen Impuls über die Membran auf das in der dem Antriebsgas gegenüberliegenden Sekundärseite der Membranpumpe vorgehaltene Fördergas überträgt. Insbesondere soll die Membranpumpe kurzzeitig auftretende Gaspulsationen des Antriebsgases, so wie sie beispielsweise in Abgasleitungen von Verbrennungsmotoren auftreten, wirkungsvoll in die Kompression von Fördergas umsetzen, wobei das Fördergas in dieser Anwendung vorteilhafterweise die vom Motor für die Verbrennung anzusaugende Frischluft darstellt. Die Membranpumpe arbeitet somit in diesem Konzept als Luftverdichter, der zur Aufladung bzw. zur Wirkungsgradsteigerung des Verbrennungsmotors genutzt werden kann. Die Membranpumpe weist dabei eine Zuleitung zum Arbeitsraum der Antriebsseite oder Primärseite auf, durch die das Antriebsgas hinein- und herausströmen kann. Die Zuleitung ist dabei eine Stichleitung, in der das Antriebsgas hin und her pulsiert. Auf der Sekundär- oder Fördergasseite befinden sich mindestens ein Zuströmventil, durch das das Fördergas ausschließlich in den Arbeitsraum oder die Sekundärseite von außen einströmen kann, und mindestens ein Abströmventil, durch das das Fördergas ausschließlich aus dem Arbeitsraum ausströmen kann. Zu- und Abströmventil arbeiten dabei jeweils als selbsttätig steuernde Rückschlagventile. Die Membran wird dabei durch Eigenvorspannung und/oder durch eine externe Kraft, wie beispielsweise die einer oder mehrerer Federn, in einer Ruheposition gehalten, die der maximalen Auslenkung der Membran in Richtung der Antriebsseite entspricht, so dass sich in dieser Membranstellung ein maximales Volumen auf der Förder- oder Sekundärseite und ein minimales auf der Antriebs- oder Primärseite ergibt.

Strömt nun eine Druckwelle durch die Zuleitung in den Arbeitsraum der Primärseite der Membranpumpe, so überträgt sie ihre kinetische Energie durch Impulsübertragung bzw. Druckaufbau des Antriebsgases im Arbeitsraum auf die Membran. Die Membran wölbt sich durch den erbrachten Energieeintrag des Antriebsgases und verringert das Volumen des Arbeitsraums der Sekundärseite und somit des Fördergases, bis die Membran an der Innenkontur des Pumpengehäuses anliegt. Dies ist mit einem Druckanstieg des Fördergases auf der Sekundärseite der Membranpumpe verbunden, so dass dieses durch das Abströmventil aus der Membranpumpe ausgeschoben wird. Bei abnehmendem Druck des Antriebsgases drückt die (Feder-) Vorspannung auf die Membran diese wieder in ihre Ruheposition und saugt dabei Fördergas durch das Zuströmventil in die Sekundärseite an. Gleichzeitig wird das Antriebsgas durch die Zuleitung, durch die es zuvor in den Arbeitsraum der Primärseite eingeströmt ist, wieder ausgeschoben.

Durch dieses Konzept ist auf besonders einfache Weise die Nutzung von Druckpulsen im Abgasstrang des Verbrennungsmotors zur Kompression und/oder Vorverdichtung des Frischgases und damit zur Leistungs- oder Effizienzsteigerung des Verbrennungsmotors ermöglicht. Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zu Grunde, eine Membranpumpe der oben genannten Art anzugeben, mit der die genannten Vorteile insbesondere beim wirkungsgradsteigernden Einsatz im Abgassystem eines Verbrennungsmotors noch weiter gesteigert werden können. Des Weiteren soll ein Verbrennungsmotor mit besonders hoher spezifischer Leistungsausbeute und/oder besonders gering gehaltenem spezifischem Brennstoffverbrauch angegeben werden.

Bezüglich der Membranpumpe wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem zur Aufbringung der Vorspannkraft auf die Membran eine Blattfeder als Rückstellfeder vorgesehen ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch die Membranpumpe eine besonders hohe Steigerung von Effizienz und/oder Leistungsausbeute des Verbrennungsmotors erreicht werden kann, indem einerseits die inneren Verluste in der Membranpumpe konsequent gering gehalten werden und andererseits eine besonders hohe Agilität und Flexibilität des Membransystems in Reaktion auf die auftretenden Druckschwankungen sichergestellt wird. Dazu sollten insbesondere die bewegten Massen weitgehend gering gehalten werden. Um dies mit besonders einfachen Mitteln zu ermöglichen, sollte das zur Aufbringung der Vorspannkraft auf die Membran vorgesehene Federsystem möglichst unter Verzicht von Führungssystemen für die Feder und darüber hinaus in einem Konzept vorgesehen sein, das die Verwendung von Materialien vergleichsweise niedriger Dichte für die eigentliche Feder erlaubt. Dies ist durch die Verwendung einer Blattfeder als Federtyp zu Aufbringung der Vorspannung ermöglicht.

Die zur Aufbringung der Vorspannkraft auf die Membran vorgesehene Blattfeder könnte im die Sekundärseite des Druckgehäuses bildenden Teilvolumen angeordnet sein und somit der durch einen eintreffenden Abgaspuls auftretenden Verformung der Membran als Druckfeder entgegenwirken. Vorteilhafterweise und für eine besonders einfach gehaltene und damit besonders günstige Bauweise ist die Blattfeder aber im die Primärseite bildenden Teilvolumen angeordnet. Die Blattfeder wirkt somit als Zugfeder auf die Membran, mit der sie vorteilhafterweise form- schlüssig verbunden ist. Diese Anordnung unterbindet höherfrequente Eigen- Schwingungen innerhalb der Feder, so wie sie beispielsweise in zylindrischen Druckfedersystemen auftreten können, wenn die Anregungsfrequenz über der Eigenfrequenz des Federsystems liegt.

Im Hinblick auf eine möglichst schonende mechanische Beanspruchung der Membran und damit eine hohe Dauerfestigkeit ist die Blattfeder besonders vorteilhaft für eine weitgehend symmetrische Krafteinleitung von der Blattfeder in die Membran ausgelegt, wobei die von der Blattfeder auf die Membran ausgeübten Einzelkräfte vorzugsweise in ihrer Summe im Flächenschwerpunkt der Membran wirken sollten. Die Blattfeder ist in diesem Sinne vorzugsweise mittig mit der Membran verbunden, so dass die Summe der von der Blattfeder auf die Membran ausgeübten Einzelkräfte im Flächenschwerpunkt der Membran angreift. Bei zylindrischer Bauweise des Innenvolumens oder einer Bauweise mit kreisförmigem Querschnitt im Bereich der Membran, einhergehend mit kreisförmiger Bauweise der Membran selbst, ist die Blattfeder somit vorzugsweise mit der Membran in deren Mittelpunkt verbunden.

Beim Betrieb der Membranpumpe und im Hinblick auf die erwarteten Pulsfrequenzen beim Betrieb des Verbrennungsmotors ist mit Mikrobewegungen der Blattfeder an ihren freien Federenden zu rechnen. Um hierdurch bedingte Verspannun- gen oder Beschädigungen zu vermeiden, ist die Blattfeder vorteilhafterweise bewegbar am Druckgehäuse abgestützt. Die Abstützung kann dabei zweckmäßigerweise über Gleitelemente und/oder über schwenk- oder drehbare Elemente erfolgen.

Um die besonders bevorzugte Bauweise mit vergleichsweise gering gehaltenen bewegten Massen zu ermöglichen, ist die Blattfeder zweckmäßigerweise aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet.

Um eine weitgehend gleichförmige Werkstoffbelastung und damit eine erhöhte Lebensdauer der Bauteile insgesamt zu erreichen, ist die Blattfeder in ihrem zentralen, mittleren Bereich, in dem sie vorzugsweise auch mit der Membran verbunden ist, verbreitert ausgeführt, wobei sie sich zu den äußeren Randbereichen hin verjüngt. Die Blattfeder weist somit vorteilhafterweise in ihrem mittleren Teilbereich eine größere Breite auf als in ihrem äußeren Randbereich, so dass sich in Draufsicht bevorzugt eine annähernd trapezförmige Geometrie ergibt. Durch diese Ausgestaltung wird mit besonders einfachen Mitteln der Erkenntnis Rechnung getragen, dass für eine möglichst gleichmäßige Belastung der Blattfeder eigentlich eine parabelförmige Außenkontur wünschenswert wäre. Diese kann auf einfache Weise durch eine trapezförmige Kontur approximiert werden.

In einer besonders bevorzugten und als eigenständig erfinderisch angesehenen Ausführung weist die Blattfeder im entlasteten Zustand eine gewölbte Kontur auf. Damit ist eine besonders kompakte Bauweise erreichbar. Die Wölbung der Blattfeder weist dabei vorzugsweise in Richtung der Primärseite. Dadurch Iässt sich die Blattfeder platzsparend annähernd parallel zur Membran im Ruhezustand in den primärseitigen Gehäusedeckel versenken. Sekundärseitig ist bevorzugt ebenfalls eine entsprechende Vertiefung im frischgas- oder sekundärseitigen Pumpendeckel vorgesehen, in die sich die gewölbte Blattfeder unter Druckbelastung (z. B. durch den Abgasdruck) annähernd zur ausgelenkten Membran legt.

Eine besonders vorteilhafte Bauweise, die als eigenständig erfinderische Ausführung angesehen wird und vorteilhaft in Kombination mit der oben beschriebenen Ausführung oder auch unabhängig von dieser eingesetzt werden kann, erlaubt bei unveränderter Werkstoffbelastung einen erhöhten Membranhub und damit ein höheres Fördervolumen der Membranpumpe. In dieser eigenständig erfinderischen Variante ist die oder jede Membran derart mit einer gewölbten Formgebung vorgefertigt, dass im drucklosen Zustand das die Primärseite bildende Teilvolumen im Rahmen der Verformbarkeit der oder jeder Membran einen Minimalwert aufweist.

Durch eine derartige, vorzugsweise in der Fertigung oder im Betrieb aufgebrachte plastische Verformung der Membran in eine gewölbte Form, die annähernd der Wölbung des sekundärseitigen Gehäusedeckels entspricht, ist eine zusätzliche Entlastung der Membran erreichbar. Durch diese künstliche Formgebung der Membran reduziert sich die Zugbelastung bei maximaler Auslenkung erheblich. Eine derart vorgewölbte Membran würde theoretisch im Mittendurchgang, welcher durch die Ebene des eingespannten Membranrands definiert wird, Druckspannungen unterliegen, die die dünnwandige Membran zur Falten- oder Knickbildung brächten. Allerdings wirken durch die an der Membran partiell angreifenden rückstellenden Federkräfte lokal ungleiche Flächenbelastungen zwischen Fördergas und Arbeitsgas, so dass die Knickbildung in der Membran ausbleibt und statt dessen Wölbungsmuster höherer Ordnung in der Membran entstehen. Damit ist somit einerseits die Materialbeanspruchung während des Betriebs der Membran deutlich reduziert, wobei andererseits deutlich erhöhte Fördervolumina erreichbar sind.

Diese Wölbungsmuster können je nach Angriffspunkt der rückstellenden Kräfte radiale Wellenbildung bzw. rosettenförmige Struktur aufweisen. Der Gefahr der Faltenbildung oder Knickung einer (Einzel-) Membran wird vorteilhafterweise durch mehrlagig aufeinander liegende dünnwandige Membranen entgegengewirkt. Die dünnwandigen Membranen, die nunmehr vergleichsweise geringere Stärke aufweisen, besitzen eine höhere Biegewechselfestigkeit, erreichen jedoch bei gleicher Gesamtdicke über die Summe ihrer Anzahl ähnliche Zugfestigkeit wie die ursprüngliche Einzelmembran. Die dünnwandigen Membranen werden im Betrieb durch die beiderseitig wirkenden Gasdrücke aufeinandergedrückt.

Die Membran ist vorteilhafterweise als ebene Kreisplatte ausgeführt, kann aber auch elliptische Form besitzen. Als Materialien sind vorteilhafterweise Metalle oder Kunststoffe (Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere, etc.), die Faserverstärkungen (Glasfaser, Kohlefaser, etc.) besitzen können, vorgesehen. Um die mechanische Belastung der Membran unter Zug und Biegung zu reduzieren, ist der Membranrand in besonders vorteilhafter Ausgestaltung beweglich (und nicht starr) in das Druckgehäuse der Membranpumpe eingespannt. Die bewegliche Einspannung kann vorteilhafterweise unter elastischen erhabenen radialen Wölbungen erfolgen, wie beispielsweise über aus den Gehäusedeckeln hervorstehende O-Ringe oder auch grundsätzlich durch eine Einspannung des Membranrands im Gehäuse über eine Zwischenlage aus elastischen Materialien.

Vorteilhafterweise ist im die Primärseite der Membranpumpe bildenden Teilvolumen ein Endanschlag für die das die Primärseite bildende Teilvolumen begren- zende Membran angeordnet. Dieser weist vorteilhafterweise eine federnd gelagerte Auflagefläche für die Membran auf, so dass die Pumpe für die Membran besonders materialschonend betrieben werden kann. Der Endanschlag definiert dabei die Position maximaler Ausdehnung der Membran in das die Primärseite der Pumpe bildende Teilvolumen hinein und damit den am weitesten in das die Primärseite bildende Teilvolumen hineinragenden Punkt der Membran im vorstehend genannten Sinne. Der Endanschlag der Membran kann mittelbar durch die Blattfeder herbeigeführt werden, in dem die Blattfeder bei Entspannung Richtung Ruhelage am Gehäusedeckel zur Anlage kommt. Dieses Anliegen vollzieht sich vorteilhafter weise als Aufrollen von den Federenden her beginnend.

In einer weiteren besonders bevorzugten Bauweise der Membranpumpe, die ebenfalls als eigenständig erfinderisch angesehen wird, und die in Kombination mit einer oder beiden der oben genannten Varianten oder auch unabhängig von diesen eingesetzt werden kann, weist die Innenseite des die Primärseite bildenden Teilvolumens des Druckgehäuses in einem sich von einer Einströmfläche hin zur Membran erstreckenden Diffusorbereich einen sich kontinuierlich erweiternden Querschnitt auf, wobei im drucklosen Zustand der am weitesten in das die Primärseite bildende Teilvolumen hineinragende Punkt der Membran um mindestens 5 mm von der Einströmfläche beabstandet ist.

Durch eine derartige Bauweise wird der Impulsübertrag von dem in die Primärseite der Pumpe einströmenden Antriebsgas, also insbesondere dem den Druckpuls aus der Abgaswelle des Verbrennungsmotors tragenden Gas, auf die Membran und damit die Kompressionswirkung auf der Sekundär- oder Frischgasseite besonders wirkungsvoll gestaltet. Insbesondere werden dabei Reflexionsphänomene der eintreffenden Druckwelle und dergleichen weitgehend vermieden. Um dies zu ermöglichen, ist die Strömungsführung für das in die Primärseite der Pumpe eintretende Antriebsgas in dieser bevorzugten Variante derart gewählt, dass Turbulenzbildung möglichst vermieden wird und das Antriebsgas möglichst senkrecht auf die Membran auftreffen kann. Dies ist erreichbar, indem der Auftreffbereich in der Primärseite der Pumpe, also der Raumbereich vor der eigentlichen Membran, in der Art eines Diffusors mit sich zur Membran hin kontinuierlich erweiterndem Querschnitt ausgeführt ist. Dabei sollte das„freie", im drucklosen Zustand die Primärseite bildende Teilvolumen, also das Volumen zwischen der Membran im drucklosen Zustand und der Innenseite des die Primärseite begrenzenden Gehäusedeckels, ausreichend groß gewählt sein, so dass der angestrebte Diffusoreffekt der in die Primärseite einströmenden Druckwelle ausreichend sichergestellt werden kann. Im Hinblick auf gängige oder für den praktischen Einsatz zu erwartende Baugrößen sollte dafür der Abstand zwischen der Zone maximaler Ausdehnung der Membran in das Primärvolumen hinein und der Gehäusewand hinreichend groß gewählt werden.

Eine besonders einfache und damit herstellungsfreundliche Bauweise ist dabei erreichbar, indem die erwünschte Diffusorwirkung durch eine geeignete Gestaltung der Innenoberfläche der Primärseite der Membranpumpe vorgegeben wird. Dazu ist der Diffusorbereich vorteilhafterweise als Mantelfläche eines Kegelstumpfs ausgeführt. Dieser weist im Wesentlichen gerade geführte Flanken auf und kann einen elliptischen oder vorzugsweise auch kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Vorteilhafterweise beträgt der Öffnungswinkel des Kegelstumpfs zwischen 10° und 30°, da sich mit einer derartigen Wahl ein besonders günstiger Wirkungsgrad erreichen lässt.

Ein weiteres als besonders günstig angesehenes Auslegungsziel für die Formgebung der Primärseite der Membranpumpe, alternativ oder zusätzlich zum angestrebten möglichst senkrechten Auftreffen der in die Primärseite der Pumpe eintretenden Druckwelle auf die Membran, ist ein möglichst großflächiges Auftreffen der Druckwelle auf die Membran. Mit anderen Worten: die Druckwelle sollte für eine besonders wirkungsvollen Impulsübertrag möglichst nicht nur beschränkt auf einen vergleichsweise geringen Flächenausschnitt der Membran, sondern vielmehr möglichst vollflächig auf diese auftreffen.

Um dies besonders zu begünstigen, weist vorteilhafterweise die antriebsgasseitige Einmündung, also insbesondere die Einströmfläche, in das die Primärseite bildende Teilvolumen der Membranpumpe eine frei durchströmbare Querschnittsfläche von höchstens etwa 70 % der Fläche der die das die Primärseite bildende Teilvo- lumen begrenzenden Membran auf. Damit ist eine Querschnittsvergrößerung innerhalb des als Diffusor ausgestalteten Gehäusebereichs erreicht, die gerade im Hinblick auf die im Zusammenhang mit einer Verwendung im Abgasstrang des Verbrennungsmotors zu erwartenden Druck- und Strömungsverhältnisse eine besonders günstige Führung des eintreffenden Druckpulses erwarten lässt.

Vorteilhafterweise sind auch weitere Geometrieparameter des als Diffusorbereich ausgestalteten Bereichs der Primärseite der Pumpe im Einklang mit diesen Kriterien gewählt. Beispielsweise könnte, aus Platz- oder Kostengründen, eine„seitliche" oder tangentiale Einströmung des Antriebsgases in die Primärseite der Membranpumpe vorgesehen sein. Vorteilhafterweise ist die Einströmung aber zentrisch und axial ausgestaltet, da auf diese Weise der Impulsübertrag der eintreffenden Druckwelle auf die Membran besonders umfassend sein kann. Dazu ist vorzugsweise die Zentralachse des Diffusorbereichs parallel zur Mittelachse der Membran ausgerichtet und/oder vorzugsweise konzentrisch zu dieser positioniert. Unter„Mittelachse der Membran" ist hierbei die Oberflächennormale der Membran durch ihren Mittel- oder Schwerpunkt im entspannten oder unverformten Zustand zu verstehen.

Alternativ oder zusätzlich sind dabei die Geometrieparameter besonders bevorzugt derart gewählt, dass der Diffusorbereich des als Primärseite vorgesehenen Innenvolumens der Membranpumpe in Richtung seiner Zentralachse gesehen eine Länge von mindestens dem Eineinhalbfachen des Membranhubs aufweist. Damit ist das Volumen innerhalb des Diffusorbereichs ausreichend viel größer als das Fördervolumen der Membranpumpe, so dass die gewünschte Diffusorwirkung besonders zuverlässig erreicht wird.

Bezüglich des Verbrennungsmotors wird die genannte Aufgabe gelöst, indem in sein Abgassystem eine Membranpumpe in einer der oben genannten Ausgestaltungen oder in einer Kombination von diesen Ausgestaltungen derart geschaltet ist, dass der Brennraum des oder jedes Zylinders jeweils einlassseitig über ein ansteuerbares Einiassventilsystem mit einem Gaseinlasssystem und auslassseitig über ein ansteuerbares Auslassventilsystem über eine Impulsweiche sowohl mit einer Auspuffanlage als auch über eine Stichleitung mit der Primärseite der se- kundärseitig in das Gaseinlasssystem geschalteten Membranpumpe verbunden ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Einbindung der Membranpumpe in das Abgassystem dabei derart ausgeführt, dass eine von der Impulsweiche über die Primärseite der Membranpumpe zur Membran geleitete Druckwelle einen Diffusor durchläuft.

Die angestrebte Diffusorwirkung kann dabei erreicht werden, indem die Membranpumpe nach dem oben genannten Konzept ausgelegt ist, also durch die geometrische Ausgestaltung der Innenseite des die Primärseite bildenden Teilvolumens als Diffusor. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch vorgesehen sein, die angestrebte Diffusorwirkung durch eine entsprechende Auslegung der zur Primärseite der Membranpumpe führenden Stichleitung zu erreichen. In dieser als eigenständig erfinderisch angesehenen Variante weist die die Membranpumpe primärseitig mit der Impulsweiche verbindende Stichleitung in ihrem Einmündungsbereich in die Membranpumpe eine im Vergleich zu ihrer Verbindungsstelle mit der Impulsweiche mindestens um das Eineinhalbfache vergrößerte freie Querschnittsfläche auf. Die zur Darstellung der Diffusorfunktion vorgesehene Aufweitung des Querschnitts ist in dieser Variante der Erfindung somit zumindest teilweise bereits in der der Membranpumpe primärseitig vorgeschalteten Zuführleitung für das Antriebsgas, also die Druckwelle aus dem Abgasstrang, realisiert.

In ganz besonders bevorzugter und ebenfalls als eigenständig erfinderisch angesehener Ausführung kann auf der Grundlage dieser Variante, also der Integration des Diffusors in die von der Impulsweiche abgehende Stichleitung, auch eine Hybridbauweise vorgesehen sein, bei der Elemente mehrerer Membranpumpen in einem Gesamtsystem zusammengefasst sind. Insbesondere sind dabei vorteilhafterweise einem gemeinsamen Primärvolumen in einem gemeinsamen Gehäusedeckel eine Mehrzahl von gasseitig voneinander getrennten Sekundärvolumina zugeordnet. Damit können auf besonders einfache Weise mehrere Membranpumpen gasseitig parallel angeordnet werden, um ein größeres Pumpvolumen zu er- reichen. Vorteilhaft sind dabei Anordnungen, bei denen die Kammern gleicher Funktion zusammengefasst werden. Insbesondere ist dabei bevorzugt ein gemeinsamer Gehäusedeckel für zwei oder mehr Pumpeneinheiten vorgesehen. Eine solche Doppelkammer auf der Seite des Arbeitsgases lässt das Antriebsgas vorteilhafterweise seitlich auf das Zentrum der Membranen zuströmen. Auch hier ist bevorzugt ein diffusorartiger Rohrverlauf vorgesehen, der sich vom Leitungsquerschnitt zur Membranpumpe hin vergrößert und dabei einen annähernd rechteckigen Querschnittsverlauf annimmt und zu dem gewünschten Druckverlauf führt.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist der Verbrennungsmotor dafür ausgelegt, dass die Membranpumpe auch im Betriebsfall nicht unmittelbar mit heißen Gasen wie dem Abgas aus den Brennräumen beaufschlagt wird, sondern dass vielmehr eine thermische Entkopplung der Membranpumpe vom eigentlich vom Abgas durchströmten Auspuffstrang vorliegt. Dabei wird vorteilhafterweise gezielt der Umstand genutzt, dass bei der Beaufschlagung der Primärseite der Membranpumpe mit der diese antreibenden Druckwelle gasseitig lediglich ein Verschiebestrom vorliegt, bei dem das in der Stichleitung und ggf. in der Primärkammer befindliche Gaspolster infolge der eintreffenden Druckwelle lediglich weiter in diese hineingeschoben wird, bevor nach erfolgtem Impulsübertrag das Gas wieder in die Stichleitung zurückgedrückt wird. Dies kann zur thermischen Entkopplung im genannten Sinne genutzt werden, indem das genannte Gaspolster durch geeignete Wahl der Geometrieparameter, insbesondere Volumen innerhalb der Stichleitung und ggf. noch das„Leer" -Volumen in der Primärkammer der Membranpumpe, ausreichend groß bemessen wird.„Ausreichend" bedeutet in diesem Sinne insbesondere, dass dieses Gaspolster von seinem Volumen her größer ist als das Gasvolumen, das sich maximal in der Primärseite der Membranpumpe befinden kann. Durch eine derartige Auslegung ist sichergestellt, dass das aus dem Brennraum des jeweiligen Zylinders abströmende Abgas nach Passieren der Impulsweiche nicht bis in die Primärkammer der Membranpumpe gelangen kann. Dazu beträgt vorteilhafterweise das von dem die Primärseite der Membranpumpe bildenden Teilvolumen und dem Innenvolumen der Stichleitung gemeinsam gebildete Gaspolstervolumen mindestens das 1 ,5-Fache, vorzugsweise mindestens das 3-Fa- che, des Pumpvolumens der Membranpumpe. Durch eine derartige Wahl der Geometrieparameter ist unter anderem auch ermöglicht, die Membranpumpe ganz oder in Teilen aus thermisch nicht beständigen oder zumindest nicht hoch belastbaren Materialien wie beispielsweise auf Kunststoffbasis auszuführen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Verwendung einer Blattfeder als Vorspannfeder für die Membran mit besonders einfachen Mitteln und in der Art einer Leichtbauweise mit gering gehaltenen bewegten Massen eine zuverlässige Vorspannung der Membran erzielt werden kann. Zudem ist es auf diese Weise möglich, den Bauraum für das Federsystem besonders klein zu halten, insbesondere die axiale Länge der vorgespannten Feder. Damit ist eine besonders kompakte Bauweise unter Einhaltung eines besonders hohen Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors erreichbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG. 1 eine Membranpumpe im Querschnitt,

FIG. 2 eine alternative Ausführungsform einer Membranpumpe im Quer- schnitt,

FIG. 3 in Draufsicht die Innenseite des primärseitigen Gehäusedeckels der

Membranpumpe nach FIG. 2,

FIG. 4 eine ausschnittsweise Vergrößerung aus FIG. 1 ,

FIG. 5, 6 jeweils eine alternative Ausführungsform einer Membranpumpe im

Querschnitt,

FIG. 7 - 1 1 jeweils schematisch einen Verbrennungsmotor, und FIG. 12 eine Membranpumpeneinheit im Querschnitt.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Membranpumpe 1 umfasst ein Druckgehäuse 2, dessen Innenvolumen 4 über eine elastisch verformbare Membran 6 in eine Mehrzahl - im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei - von gasseitig voneinander getrennten Teilvolumina 8, 10 aufgeteilt ist.

Zwischen einem primärgasseitigen Gehäusedeckel 12 (Primärseite) und einem frischgasseitigen Gehäusedeckel 14 (Sekundärseite), die gemeinsam das Druckgehäuse 2 bilden, befindet sich somit als elastisch verformbare Zwischenwand die Membran 6. Diese trennt das die Primärseite bildende Teilvolumen 8 und das die Sekundärseite bildende Teilvolumen 10, die sich zwischen der Membran 6 und den gewölbten Innenflächen der beiden Gehäusedeckel 12 bzw. 14 aufspannen, gasdicht voneinander. Das erste Teilvolumen 8 bildet dabei in dem Sinne die Primärseite und somit das Primärvolumen der Membranpumpe 1 , dass in dieses Volumen das Antriebsgas eingeleitet wird und damit die Pumpe treibt. Das zweite Teilvolumen 10 ist demgegenüber der Gasraum für das Frischgas, auf das die Enthalpie übertragen werden soll bzw. das komprimiert werden soll, und bildet somit die Sekundärseite der Pumpe.

Die Membran 6 ist mechanisch derart mit einer Vorspannkraft beaufschlagt, dass im drucklosen Zustand das die Primärseite bildende Teilvolumen 8 im Rahmen der Verformbarkeit der Membran 6 einen Minimalwert aufweist. In diesem Zustand, der der Darstellung in FIG. 1 entspricht, liegt die Membran 6 somit mit ihrem Mittelpunkt an einem innerhalb des Teilvolumens 8 positionierten Anschlag 16 an. Um die mechanischen Belastungen der Membran 6 während des Betriebs vergleichsweise gering zu halten, ist der Anschlag 16 zumindest an seiner der Membran 6 zugewandten Seite elastisch oder federnd ausgeführt. Des Weiteren ist die Membran 6 in ihrem Mittenbereich, in dem sie im dargestellten drucklosen Zustand am Anschlag 16 anliegt, mit einer metallischen Kontaktscheibe 18 versehen. Zur Bereitstellung der genannten Vorspannkraft ist im Ausführungsbeispiel gem. FIG. 1 eine im die Primärseite bildenden Teilvolumen 8 angeordnete Feder 20 vorgesehen. Diese lenkt die Membran 6 im drucklosen Zustand aus ihrer spannungsfreien Mittellage in Richtung zum Anschlag 16 hin aus, so dass die Membran 6 an diesem anliegt. Die Vorspannkraft der Feder 20 ist dabei größer als die Rückstellkraft der maximal ausgelenkten Membran 6 gewählt, so dass die Membran 6 im Zustand ohne Gasdruckbeaufschlagung voll ausgelenkt zuverlässig am Anschlag 16 anliegt.

Im primärgasseitigen Gehäusedeckel 12 ist als gasseitige Einmündung in die durch die gestrichelte Linie angedeutete Einströmfiäche 22 mindestens ein Ein- und Auslasskanal 24 angeordnet, durch den das Antriebsgas bzw. die zur Impulsübertragung genutzte Gassäule in das das Primärgasvolumen der Membranpumpe 1 bildende Teilvolumen 8 der Primärseite ein- bzw. ausströmen kann. Zum die Sekundärseite der Membranpumpe 1 bildenden zweiten Teilvolumen 10 und entsprechend durch den dieses begrenzenden Gehäusedeckel 14 hindurch führen hingegen mindestens ein Frischgassaugkanal 26 und mindestens ein Frischgasdruckkanal 28. Diese sind jeweils mit Rückschlagventilen (Zungenventilen) 30, 32 ausgestattet, so dass ein Gasfluss im Frischgassaugkanal 26 ausschließlich in das Teilvolumen 10 der Sekundärseite der Membranpumpe 1 hinein und im Frischgasdruckkanal 28 ausschließlich aus dem Teilvolumen 10 der Sekundärseite heraus stattfinden kann. Zwecks hohen Kompressionsverhältnisses auf der Sekundärseite sind die Rückschlagventile 30, 32 vorzugsweise so nahe wie möglich an der Innenfläche 34 des Gehäusedeckels 14 angebracht, um bei Auslenkung der Membran 6 an die Innenfläche 34 das verbleibende Restvolumen

(Schadvolumen) zwischen Membran 6 und den Rückschlagventilen 30, 32 möglichst klein zu halten.

Im Ruhezustand ist die Membran 6 in Folge der Vorspannung maximal auf die Primärseite ausgelenkt, und das Teilvolumen 8 der Primärseite ist minimal. In diesem Zustand wird somit der am weitesten in das die Primärseite bildende Teilvolumen 8 hineinragende Punkt der Membran 6 durch die am Anschlag 16 anliegende Kontaktplatte 18 definiert. Auf der Sekundärseite ist das entsprechende Teilvolumen 10 hingegen maximal mit Frischgas gefüllt. Wird nun die Primärseite durch den Ein- und Auslasskanal 24 mit unter Druck stehendem Antriebsgas (bzw. dem Gaspolster) beaufschlagt, so bewegt sich die Membran 6 Richtung Sekundärseite und verdrängt unter Kompression das im Teilvolumen 10 der Sekundärseite gespeicherte Frischgas durch das Rückschlagventil 32 in den nachgelagerten Frischgasdruckkanal 28, bis die Membran 6 an der Innenfläche 34 anliegt. Entspannt sich nachfolgend der Gasdruck auf der Primärseite (beispielsweise durch ein„Zurückfluten" des Antriebsgaswelle), so wird die Membran 6 durch die Feder 20 und die anfangs vorhandene Membranrückstellkraft wieder an den Anschlag 16 gedrückt. Das Gas auf der Primärseite wird somit teilweise ausgeschoben und gleichzeitig das zunehmende Teilvolumen 10 auf der Sekundärseite mit Frischgas durch den Frischgassaugkanal 26 gefüllt. Die in der komprimierten Feder 20 gespeicherte Energie wird somit zum Ladungswechsel (Ausschieben von Abgas und Ansaugen von Frischgas) in der Membranpumpe 1 genutzt.

Die Membranpumpe 1 ist gezielt für einen besonders hohen Wirkungsgrad bei der Umsetzung des vom durch den Ein- und Auslasskanal 24 in das erste Teilvolumen 8 einströmenden Antriebsgases mitgeführten Impulses oder Druckpulses in eine Bewegung der Membran 6 und demzufolge eine Kompression des im zweiten Teilvolumen 10 vorgehaltenen Frischgases bei besonders hoher Lebensdauer der Komponenten ausgelegt. Dabei ist insbesondere auch berücksichtigt, dass grundsätzlich die bewegten Massen der Membran 6 und der Feder 20 möglichst gering gehalten werden sollten. Um dies zu ermöglichen, ist insbesondere das Federsystem geeignet ausgestaltet, indem die Feder 20 als Blattfeder 36 ausgeführt ist.

Eine solche Blattfeder 36 ist ein Federsystem, das aus Materialien geringerer Dichte herstellbar ist. Weiterhin ermöglicht ein solches Federsystem, den Bauraum für das Federsystem klein zu halten, insbesondere die axiale Länge der vorgespannten Feder(n). Ein solches Federsystem, das im übrigen auch keine Line- arführung benötigt und somit auf besonders einfache Weise herstellbar ist, ist im allgemeinen die Blattfeder bzw. alle Derivate, die aus diesem Federtyp ableitbar sind, wie auch die aus mehreren Blattfederzungen bestehende Lamellenfeder, wie sie beispielsweise als Federsysteme in Fahrzeugkupplungen Verwendung findet. Vorteilhaft sind in einem solchen Federsystem Federwerkstoffe aus leichtem Faserverbundmaterial vorgesehen. Diese Materialien haben etwa nur ein Viertel der

Dichte von Stahl.

Die Blattfeder 36 kann auf der Fördergas- oder Sekundärseite und somit im Teilvolumen 10 der Membranpumpe 1 angeordnet sein. Im Ausführungsbeispiel gem. FIG. 1 ist jedoch die bevorzugte alternative Ausführungsform der Membranpumpe 1 gezeigt, bei der die Rückstellkraft auf die Membran 6 über eine auf der Arbeitsgas- oder Primärseite, somit also wie in FIG. 1 in Form einer Balkenfeder dargestellt, im Teilvolumen 8 angeordnete Blattfeder 36 erzeugt wird. Die Blattfeder 36, im Ausführungsbeispiel gem. FIG. 1 als Zugfeder ausgelegt, ist dabei mittig mit der Membran 6 verbunden, so dass die Summe der von der Blattfeder 36 auf die Membran 6 ausgeübten Einzelkräfte im Flächenschwerpunkt der Membran 6 angreift. Das jeweilige freie Ende 38 der Blattfeder 36 ist am Gehäusedeckel 12 gelagert oder abgestützt. In der gezeigten besonders vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt diese Abstützung auf Anlageflächen, die eine Kurvenbahn besitzen, damit die freien Federenden bei wippender Bewegung auf diesen Kurvenbahnen rollen können.

Alternativ könnte die Blattfeder 36 auch fest mit einem der Gehäusedeckel 12, 14 verbunden sein, so dass die freien federnden Enden auf die Membran 6 wirken. Die symmetrische Krafteinbringung der Blattfeder 36 auf die Membran 6 ist vorteilhaft, wobei die Einzelkräfte in ihrer Summe im Flächenschwerpunkt der Membran 6 wirken sollten. Im Bereich der Federkrafteinleitung ist die Membran 6 vorteilhafterweise durch Stützscheiben verstärkt, um Knickbeanspruchungen bzw. hohe Flächenpressungen zu reduzieren.

Die Blattfeder 36 kann aus mehreren übereinanderliegenden Einzelfedern bestehen oder auch mehrarmig mit entsprechender Anzahl freier Federenden ausgeführt sein. Wegen der ikrobewegungen, die an den freien Enden der Blattfeder 36 bei Bewegung entstehen, werden die Federenden 38 in vorteilhafter Weise mittelbar über Gleitelemente z.B. aus Kunststoff gegen ihre Auflage abgestützt oder sind über schwenk- bzw. drehbare Elemente mit der Auflage verbunden. In bevorzugter Ausgestaltung besteht die Blattfeder 36 aus einem Verbundwerkstoff mit guten tribologischen Eigenschaften, so dass auf ein mittelbares Gleitelement für die Auflage der Federenden verzichtet werden kann. Beispielsweise kann die Blattfeder 36 aus Verbundwerkstoff mit Polyamidbinder bestehen und die Auflage am Pumpengehäuse aus Edelstahl. Die Blattfeder 36 kann aufgrund ihrer geringen Dicke annähernd bauraumneutral in das Druckgehäuse 2 integriert werden.

In einer besonders bevorzugten, als eigenständig erfinderisch angesehenen Ausführungsform, wie sie im Ausführungsbeispiel gem. Fig. 2 dargestellt ist, ist die Blattfeder 36, ggf. zusätzlich zur Membran 6, vorgeformt und gewölbt ausgeführt. Der Endanschlag für die Membran 6 ist hierbei mittelbar durch die Blattfeder 36 gegeben, indem die Blattfeder 36 bei Entspannung in ihrer Ruhelage am Gehäusedeckel 12 zur Anlage kommt. Um den Vorgang des Anlegens an den Gehäusedeckel 12 besonders materialschonend zu gestalten, ist die Formgebung dabei bevorzugt derart gewählt, dass sich dieses Anliegen als Aufrollen von den Federenden her beginnend vollzieht. Ein Anschlag in Form einer separaten Komponente erübrigt sich somit. Zudem ist der primärseitige Gehäusedeckel 12 an seiner Innenseite 39 zur Aufnahme der Blattfeder 36 mit einer Vertiefung 46 versehen, von der in FIG. 2 aufgrund der Schnittdarstellung die Stirnkante 48 sichtbar ist. Die Vertiefung 46 im Gehäusedeckel 12 zur Aufnahme der Feder 36 ist geometrisch so ausgeführt, dass die Feder den genannten Aufrollvorgang beim Anlegen vollziehen kann.

Die Federkraft bzw. Kennlinie der Feder 20, 36 sollte in beiden vorstehend beschriebenen Varianten bei maximaler Auslenkung der Membran 6 in das erste, primärseitige Teilvolumen 8 einen Mindestkraftüberschuß aufweisen, der jener Kraft entspricht, die durch den minimalen Gasdruck den Pulsationen des Arbeitsgases über die Membranfläche entgegenwirkt. Die maximale Rückstellkraft der Feder 20, 36 bei voller Membranauslenkung in den Fördergasraum oder das se- kundärseitige Teilvolumen 10 wird durch mehrere Faktoren bestimmt, wie der Pulsfrequenz des Arbeitsgases, den bewegten Massen, dem Fördervolumen der Pumpe und dem Gegendruck des Fördergases beim Ausschieben aus der Pumpe. Die Federkräfte und deren Verlauf über den Federhub, sprich die Kennlinie, sollten daher auf den Anwendungsfall der Pumpe individuell abgestimmt werden. Um eine weitgehend gleichförmige Werkstoffbelastung und damit eine erhöhte Lebensdauer der Bauteile insgesamt zu erreichen, ist die Blattfeder 36 zudem in ihrem zentralen, mittleren Teilbereich 49, in dem sie auch mit der Membran 6 verbunden ist, verbreitert ausgeführt, wobei sie sich zu den äußeren Randbereichen und zu den freien Enden 38 hin verjüngt. Die Blattfeder 36 weist somit in ihrem mittleren Teilbereich 49 eine größere Breite auf als in ihrem äußeren Randbereich, so dass sich in Draufsicht bevorzugt eine trapezförmige Geometrie ergibt. Dies ist aus der in FIG. 3 gezeigten Draufsicht auf die Innenseite 39 des primärseitigen Gehäusedeckels 12 erkennbar, in der auch die Vertiefung 46 kenntlich gemacht ist.

Die im Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 gezeigte Membranpumpe 1 ist zusätzlich auch in einer eigenständig erfinderisch angesehenen Ausführung, die gemeinsam mit oder auch unabhängig von der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung eingesetzt werden kann, dafür ausgelegt, die kinetische Energie des Gasimpulses einer eintreffenden Druckwelle besonders effizient in eine Membranbewegung umzuwandeln. Dazu ist es vorgesehen, den Gasstrom möglichst auf die gesamte bzw. einen Großteil der Membranfiäche zu leiten. Dabei sollte Turbulenzbildung weitestgehend vermieden werden, damit der Impuls der Gasmoleküle vornehmlich senkrecht auf die Membran 6 treffen kann. Aus diesen Gründen ist die Membranpumpe 1 nach dem Ausführungsbeispiel von ihrem Bauprinzip her dafür ausgelegt, die eintreffende Druckwelle vor ihrem Auftreffen auf die Membran 6 durch ein Diffusorelement zu leiten.

Im Ausführungsbeispiel gem. FIG. 1 ist dies durch eine geeignete Formgebung der Innenseite 39 oder Innenfläche des die Primärseite bildenden Teilvolumens 8 erreicht. Die Innenseite 39 ist dabei derart geformt, dass sie in einem als Diffusor- bereich 40 ausgestalteten Teilabschnitt den Diffusor mit sich in Richtung auf die Membran 6 zu stetig erweiterndem Querschnitt bildet. Um dabei ein für die angestrebte Diffusorwirkung besonders geeignet dimensioniertes Vorvolumen bereitzustellen, innerhalb dessen sich die eintreffende Druckwelle vor dem Kontakt mit der Membran 6 ausreichend gut ausbreiten kann, ist dabei im Ausführungsbeispiel für die Positionierung des Anschlags 16 ein Abstand von der Einströmfläche 22 von etwa 25 bis 30 mm vorgehen. Damit wird das Auslegungskriterium umgesetzt, dass im drucklosen Zustand für den am weitesten in das die Primärseite bildende Teilvolumen 8 hineinragenden Punkt der Membran 6, also die am Anschlag 16 anliegende Kontaktplatte 18, ein Mindestabstand von mindestens 5 mm von der Einströmfläche 22 eingehalten werden sollte.

Um die diffusorartige Ausgestaltung des Gehäusedeckels 12 auf besonders einfache Weise umzusetzen, ist im Ausführungsbeispiel gem. FIG. 1 die Innenseite 39 des primärseitigen Gehäusedeckels im Diffusorbereich 40 als Mantelfläche eines Kegel Stumpfs 42 ausgeführt.

Im Ausführungsbeispiel gem. FIG. 1 ist dabei bauartbedingt der primärgasseitige Gehäusedeckel 12 im Diffusorbereich 40 in seiner Gesamtheit, also sowohl innenseitig als auch außenseitig, in der Art eines Kegelstumpfs 42 ausgeführt. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, zur Erreichung des gewünschten Diffusor- effekts lediglich die Innenseite 39 des Gehäusedeckels 12 auf die genannte Art auszuführen und seine Außenseite mit anderer, für den jeweiligen Einsatzzweck geeigneter Geometrie, beispielsweise zylindrisch, zu gestalten.

Der gasseitige Einlass 22 und somit der Ein- und Auslasskanal 24 in das die Primärseite bildende Teilvolumen 8 weisen im Ausführungsbeispiel eine frei durchströmbare Querschnittsfläche von etwa 2 bis 5 % und somit von höchstens 70 % der Fläche der das die Primärseite bildende Teilvolumen 8 begrenzenden Membran 6 auf. Der Öffnungswinkel des Kegelstumpfs 42 beträgt vorzugsweise und für einen besonders hohen Wirkungsgrad zwischen 10° und 30°.

Auf der Antriebs- oder Primärseite weist der Gehäusedeckel 12 im Ausführungsbeispiel gem. FIG. 1 bei zentrischer Federanordnung gerade im als Diffusor aus- geführten Bereich 40 eine trichterförmige Kontur auf, wobei ein fest eingespannter Membranrand einen zur Membran parallel auslaufenden Trichterrand benötigt und die beweglich eingespannte Membran einen abfallenden Trichterrand erhalten kann. Die Trichterkontur selbst kann zum Zentrum hin im Querschnitt geradlinig oder auch leicht konkav verlaufen.

Hinsichtlich der Geometrie und Formgebung besteht das Druckgehäuse 2 der Membranpumpe 1 für beide vorstehend beschriebenen Varianten gem. FIG. 1 o- der 2 im Wesentlichen aus den beiden Gehäusedeckeln 12, 14, deren Fügungsebene die Ebene der Membran 6 oder eine Parallelebene dazu darstellt. Die Innenkontur des sekundärseitigen Gehäusedeckels 14 bestimmt maßgeblich die Verformung der Membran 6 in ihrem ausgelenkten Zustand und damit deren mechanische Belastung. Auf der Sekundär- oder Fördergasseite, also im Gehäusedeckel 14, ist dessen Innenkontur zweckmäßigerweise derart gestaltet, dass die Membran 6 sich unter dem Druck des Antriebsgases vom Membranrand zum Zentrum hin an die Innenfläche 34 anlegt, d.h. aufrollt, und die maximal zulässigen Zug- und Biegespannungen des Membranmaterials nicht überschritten werden. Für die am Rand fest eingespannte Membran 6 ist somit vorzugsweise eine Gehäusedeckelkontur vorgesehen, die prinzipiell im Querschnitt einem liegenden Doppel-S entspricht, und für den beweglich eingespannten Membranrand eine Gehäusedeckelkontur, die einer Kuppel entspricht.

Die Gehäusedeckel 12, 14 lassen sich prinzipiell kostengünstig als Kunststoffspritzgussteile, Blechpressteile oder Druckgussteile herstellen.

Die Membran 6 ist im Ausführungsbeispiel als ebene Kreisplatte ausgeführt, kann aber auch eine elliptische Form besitzen. Als Materialien sind insbesondere Metalle oder Kunststoffe (Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere, etc.), die Faserverstärkungen (Glasfaser, Kohlefaser, etc.) besitzen können, vorgesehen. Um die mechanische Belastung der Membran 6 unter Zug und Biegung und damit während des Betriebs der Membranpumpe 1 zu reduzieren, ist, wie der ausschnittsweise vergrößerten Darstellung in FIG. 4 entnehmbar ist, der Membranrand 50 beweglich zwischen den Gehäusedeckeln 12, 14 eingespannt. Die be- wegliche Einspannung wird dabei mittels elastischer erhabener radialer Wölbungen erreicht. Im Ausführungsbeispiel sind dazu aus den Gehäusedeckeln 12, 14, jeweils hervorstehende O-Ringe 52, 54 vorgesehen. Alternativ wäre grundsätzlich auch eine Einspannung des Membranrands 50 im Druckgehäuse 2 über eine Zwischenlage aus elastischen Materialien möglich.

Eine weitere Entlastung der Membran 6 kann durch eine in der Fertigung oder im Betrieb entstehende plastische Verformung der Membran 6 in eine gewölbte Form, die annähernd der Wölbung des Gehäusedeckels 14 entspricht, hervorgerufen werden. Durch eine derartige künstliche Formgebung der Membran 6 reduziert sich die Zugbelastung bei maximaler Auslenkung erheblich. Insbesondere hat die Membran 6 durch die gewölbte Formgebung keine Eigenvorspannung mehr, die sie in drucklosem Zustand in die Mittenlage ausrichten würde. Vielmehr nähert sich die Membran 6 mit ihrer Wölbung der gewölbten Innenkontur des Pumpengehäuse an, so dass bei maximaler Auslenkung keine bzw. geringfügigere Zugspannungen in der Membran 6 entstehen, als es bei ebener Membrankontur der Fall wäre. Eine derart vorgewölbte Membran 6 würde theoretisch im Mittendurchgang, welcher durch die Ebene des eingespannten Membranrands 50 definiert wird, Druckspannungen unterliegen, die die dünnwandige Membran 6 zur Faltenbildung bzw. Knickbildung brächten. Andererseits wirken jedoch durch die an der Membran 6 partiell oder lokal angreifenden rückstellenden Federkräfte lokal ungleiche Flächenbelastungen zwischen Fördergas und Arbeitsgas, so dass eine Knickbildung in der Membran 6 auszubleiben scheint und stattdessen Wölbungsmuster höherer Ordnung in der Membran 6 entstehen. Diese Wölbungsmuster können je nach Angriffspunkt der rückstellenden Kräfte radiale Wellenbildung bzw. eine ro- settenförmige Struktur aufweisen.

Der Gefahr einer Faltenbildung oder Knickung einer (Einzel-)Membran 6 kann in der Art einer bevorzugten Ausführungsform durch mehrlagig aufeinander liegende dünnwandige Membranen entgegengewirkt werden. Die dünnwandigen Membranen, die nunmehr individuell jeweils geringere Stärke aufweisen, besitzen höhere Biegewechselfestigkeit, erreichen jedoch bei gleicher Gesamtdicke, über die Summe ihrer Anzahl, eine ähnliche Zugfestigkeit wie eine Einzelmembran. Die dünn- wandigen Membranen werden im Betrieb durch die beiderseitig wirkenden Gasdrücke aufeinandergedrückt.

Die diffusorartige Ausgestaltung des Primärvolumens kann wie oben beschrieben in Kombination mit der Ausführung des Federsystems als Blattfeder 36 vorgesehen sein. Im Ausführungsbeispiel gem. Fig. 5 ist demgegenüber eine Variante gezeigt, bei der die diffusorartige Ausgestaltung des Gehäuses mit einem eher konventionell ausgeführten Federsystem kombiniert ist. Dieses umfasst eine Feder 56, die sich einerseits am primärgasseitigen Gehäusedeckel 12 und andererseits über einen Federteller 58 abstützt, der mit der Membran 6 fest verbunden ist.

Als besonders vorteilhaft wird die zentrische Anströmung der Membran 6 durch die eintreffende Druckwelle oder das eintreffende Antriebsgas angesehen. Zu diesem Zweck ist, wie dies in den Ausführungsbeispielen gem. FIG. 1 , 5 dargestellt ist, die Zentralachse 44 des Diffusorbereichs 40 parallel zur Mittelachse der Membran 6 ausgerichtet und konzentrisch zu dieser positioniert. Unter„Mittelachse der Membran 6" ist hierbei die Oberflächennormale der Membran 6 durch ihren Mittel- oder Schwerpunkt im entspannten oder unverformten Zustand zu verstehen. Falls hingegen die senkrechte Anströmung auf die Membran 6 beispielsweise aus Platzgründen oder bauartbedingt nicht möglich ist, kann auch eine tangentiale diffusorartige Eintrömung vorgesehen sein. Ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Bauweise ist in FIG. 6 gezeigt. Diese Anordnung in der Membranpumpe 1 ^" erlaubt zwar nicht die ausschließlich symmetrische Anströmung der Membran 6, nutzt aber ebenso den Großteil der zur Verfügung stehenden Membranfläche, um auf diese Impuls zu übertragen. In beiden Ausführungsformen weist bevorzugt für eine besonders günstige Diffusorwirkung der Diffusorbereich 40 in Richtung seiner Zentralachse 44 gesehen eine Länge von mindestens dem Eineinhalbfachen des Membranhubs auf.

Sowohl im Ausführungsbeispiel nach FIG. 5 als auch im Ausführungsbeispiel nach FIG. 6 wird die rückstellende Kraft auf die Membran 6 durch die auf der Arbeitsgasseite oder Sekundärseite im Teilvolumen 10 angeordnete, als Druckfeder ausgeführte Feder 56 ausgeübt. Die dabei vorgesehene zentrische Anordnung der Feder 56 ist vorteilhaft, da nominell keine Seitenkräfte durch Biegung der Membran 6 wirken. Um eine ausschließlich axiale Bewegung der Feder 56 sicherzustellen, ist die Feder 56 mit einer Linear- oder eine Axialführung versehen. Diese wird im Ausführungsbeispiel durch einen mit der Membran 6 verbundenen und auf ihr senkrecht stehenden Führungsstift 60 gewährleistet, der seinerseits in einem fest stehenden Gleitlager 62 geführt ist. Alternativ können auch eine oder mehrere Zugfedern auf der Primärseite der Membran 6, also im Teilvolumen 8, vorgesehen sein. Allerdings zeigen ösenförmige Einspannungen der Federenden wegen deren Abknickung schlechtes Dauerhaltbarkeitsverhalten . Die Federenden sollten in diesem Anwendungsfall, ähnlich wie bei Druckfedern, über Federteller, die jeweils den ersten Windungsgang der Zugfeder fassen, ausgeführt sein. Vorteilhaft wäre eine solche Zugfeder gegenüber der Druckfeder hinsichtlich der entfallenden Knickgefahr, so dass eine Linearführung der Membran 6 nicht erforderlich wäre.

Auch eine Luftfederung der Membran 6 wäre möglich. Vorteile ergeben sich dabei hinsichtlich der geringen Federmasse und des ermöglichten Verzichts auf eine Linearführung. Diese Luftfeder könnte vorteilhafterweise aus einem hermetisch verschlossenem Gasvolumen in einem verformbaren Behälter bestehen, der durch die Membran 6 komprimiert wird. Ein solcher Behälter könnte beispielsweise in Form eines Faltenbalgs oder lediglich einer Kugel ausgeführt werden.

Besonders vorteilhaft und in als eigenständig erfinderisch angesehener Ausführung kommt die nach den vorstehenden Erläuterungen ausgeführte Membranpumpe 1 , 1 ^' , 1 ^" in der Art einer so genannten Abgasladepumpe im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors zum Einsatz. Damit können die Vorteile der Einleitung des Antriebsgases in den Primärraum der Membranpumpe über einen Diffusor besonders wirkungsgradsteigernd genutzt werden. Ein solcher Verbrennungsmotor kann somit mit besonders hoher spezifischer Leistungsausbeute und/oder besonders gering gehaltenem spezifischem Brennstoffverbrauch ausgeführt werden. Als Ausführungsbeispiel hierfür ist in FIG. 7 schematisch ein Verbrennungsmotor 70 dargestellt, der nach dem 4-Takt-Verfahren ausgelegt ist. Er umfasst eine Anzahl von Zylindern 72, von denen in FIG. 7 lediglich einer dargestellt ist, und in denen jeweils ein Arbeitskolben 74 geführt ist. Der Arbeitskolben 74 wirkt über ein Pleuel 76 auf eine Kurbelwelle 78. Je nach Auslegung und Bauart des Verbrennungsmotors 70 können dabei auch der oder die Arbeitskolben 74 mehrerer oder aller Zylinder 72 auf eine gemeinsame Kurbelwelle 78 wirken.

Innerhalb des Zylinders 72 befindet sich in herkömmlicher Bauweise der Brennraum 80, in dem im Arbeitstakt des Zylinders 72 ein komprimiertes Brenn Stoff- Luft- Gemisch zur Verbrennung gebracht wird. In Reaktion hierauf führt der im Zylinder 72 verschiebbar angeordnete Arbeitskolben 74 einen Arbeitshub aus, wobei er die Kurbelwelle 78 arbeitsleistend antreibt. Nach der Vollendung des Arbeitshubs, also nach erfolgter Expansion des verbrannten Arbeitsgases im Zylinder 72 und kurz vor Erreichen des so genannten„unteren Totpunkts" (UT), wird das verbrannte Arbeitsgas als Abgas während eines Auslasstakts des Zylinders 72 einer aus- lassseitig an diesen angeschlossenen Auspuffanlage 82 zugeführt.

Für die zum Betrieb des Zylinders 72 erforderlichen Gaswechsel ist der Brennraum 80 gaseinlassseitig mit einem Gaseinlasssystem 84 und auslassseitig mit der Auspuffanlage 82 verbunden. Zur Steuerung der Gaswechsel im Brennraum 80 ist dabei der Brennraum 80 einerseits gegenüber dem Gaseinlasssystem 84 mittels eines Einlassventilsystems 86 absperrbar, das im Ausführungsbeispiel gem. FIG. 7 als Einlassventil 88 ausgeführt ist. Andererseits ist der Brennraum 80 gegenüber dem zur Auspuffanlage 82 führenden Abgasstrang 90 mittels eines Auslassventilsystems 92 absperrbar, das im Ausführungsbeispiel gem. FIG. 7 als Auslassventil 94 ausgeführt ist.

Der Verbrennungsmotor 70 ist gezielt für eine besonders hohe spezifische Leistungsausbeute und/oder einen besonders hohen Wirkungsgrad und damit geringen spezifischen Kraftstoffverbrauch ausgelegt. Dazu ist vorgesehen, dem aus dem Brennraum 80 während des Auslasstakts des jeweiligen Zylinders 72 abströmenden heißen Abgas zumindest einen Teil der ansonsten eigentlich ungenutzten Abgasenthalpie zu entziehen, um diese in den Wirkungsgrad steigernder Weise in mechanische Antriebsenergie und/oder Erhöhung der Frischgasluftdichte im Sinne einer Aufladung umzuwandeln. Dies soll erreicht werden, indem der während des Auslasstakts aus dem Brennraum 80 abströmenden Abgasdruckwelle in möglichst weitgehendem Umfang Impuls und/oder Energie entzogen und zur Vorverdichtung des dem Brennraum 80 zuströmenden Frischgases auf dieses übertragen wird.

Um dies zu ermöglichen, ist der Abgasstrang 90 verzweigt ausgeführt. Dazu ist in den Abgasstrang 90 eine Impulsweiche 96 geschaltet, die eingangsseitig mit dem Auslassventilsystem 92 und ausgangsseitig einerseits über eine Stichleitung 98 mit der Primärseite der nach den vorstehenden Ausführungen ausgelegten Membranpumpe 1 und andererseits mit einer zur Auspuffanlage 82 führenden Abgas- leitung 102 verbunden ist. Der Brennraum 80 ist somit auslassseitig über das Auslassventilsystem 92 und über die Impulsweiche 96 sowohl mit der Auspuffanlage 82 als auch mit der Primärseite der Membranpumpe 1 verbunden.

Durch diese Schaltung ist im Ausführungsbeispiel gem. FIG. 7 die Nutzung der in der Membranpumpe 1 dem Abgas entzogenen Enthalpie zur Kompression und damit Vorspannung eines der Membranpumpe 1 sekundärseitig zu geführten Kaltgasstroms, nämlich in diesem Ausführungsbeispiel dem zur Einspeisung in den Brennraum 80 vorgesehenen Frischgasluftstrom, vorgesehen. Dementsprechend ist im Ausführungsbeispiel gem. FIG. 7 die Membranpumpe 1 sekundärseitig in eine Frischgasleitung 106 geschaltet, die über einen Ladeluftkühler 108 geführt ist und ausgangsseitig über das Einlassventilsystem 86 mit dem Brennraum 80 des Zylinders 72 absperrbar verbunden ist.

Im Ausführungsbeispiel gem. FIG. 7 ist der Zylinder 72 des Verbrennungsmotors 70 in dem Moment gezeigt, in dem der Arbeitskolben 74 sich im unteren Totpunkt (UT) befindet und der Auslasstakt des Zylinders 72 beginnt. Das Auslassventil 94 hat begonnen, sich zu öffnen. Beim Öffnen des Auslassventils 94 entweicht das noch unter Restdruck stehende Abgas aus dem Brennraum 80 des Zylinders 72 in den Auslasskanal oder Abgasstrang 90. Da der Restdruck des Abgases im Zylinder 72 in der Regel zwischen 2-8 bar liegt und im Auslasskanal mittlere Abgasgegendrücke von etwa 1 ,1 -1 ,6 bar vorherrschen, strömt das Abgas auf Grund des überkritischen Druckverhältnisses mit Schallgeschwindigkeit am Auslassventil 94 vorbei. Wegen der hohen Abgastemperaturen, die in der Praxis zwischen 350- 1150 °C liegen, erreicht die Schallgeschwindigkeit des Abgases Werte bis zu 1000 m/s. Entsprechend hoch ist der Impuls (p = m ^■ v) der Abgasdruckwelle, der im vorliegenden System gezielt Wirkungsgrad- und/oder leistungssteigernd genutzt werden soll.

Je nach Motordrehzahl und Gestaltung des Motorventiltriebs beträgt die Laufzeit der energiereichen primären Abgasdruckwelle ca. 10-50° Kurbelwelle. Die Abgasdruckwelle strömt dabei durch die Impulsweiche 96, die vorteilhafterweise eine Rohrverzweigung darstellt. Die Impulsweiche 96 weist dabei einen eingangsseitig mit dem Auslassventilsystem 92 und ausgangsseitig mit der Primärseite der Membranpumpe 1 verbundenen Hauptkanal 110 auf, von dem ein ausgangsseitig in die Abgasleitung 102 mündender und über diese mit der Auspuffanlage 82 verbundener Abgaskanal 1 12 abzweigt. Der Hauptkanal 1 10 mündet somit in die zur Membranpumpe 1 führende Stichleitung 98, wohingegen der Abgaskanal 1 12 zur Auspuffanlage 82 läuft, über die das Abgas ins Freie gelangt.

Die Impulsweiche 96 hat die Aufgabe, den Impuls des Abgasstroms beim Öffnen des Auslassventils 94 möglichst vollkommen in die Stichleitung 98 zu leiten, so dass in einer ersten Taktphase des Auslasstakts der Impuls der aus dem Zylinder 72 abströmenden Abgasdruckwelle möglichst ganz oder zumindest teilweise auf die Primärseite der Membranpumpe 1 übertragen wird. In dieser Phase soll zunächst ein Abfließen von Abgas in den Abgaskanal 1 12, was einen Impulsverlust bedeuten würde, weitgehend unterbunden werden. Der angestrebte Impulsübertrag aus der Abgasdruckwelle auf die Primärseite der Membranpumpe 1 kann dabei erfolgen, indem das Abgas zumindest teilweise unmittelbar in die Membranpumpe 1 gelangt; besonders bevorzugt ist aber ein mittelbarer Impulsübertrag, bei dem die aus dem Zylinder 72 abströmende Abgasdruckwelie ihren Impuls teilweise oder möglichst vollständig auf die in der Stichleitung 98 bereits befindliche Gassäule überträgt, die ihn ihrerseits in die Membranpumpe 1 weiterleitet.

In der Membranpumpe 1 trifft der (unmittelbar oder mittelbar eingeleitete) Impuls des Abgasstroms auf die Membran 6 und verformt diese durch Impulsübertragung. Die bewegte Masse der elastischen Membran 6 ist bevorzugt vergleichbar zur Masse der beschleunigten Abgassäule gewählt, um bei der Impulsübertragung (m _gas ^■ v _gas =m _wand ^■ v _wand ) möglichst viel kinetische Energie (Vi m _wand ^■ v _and ) auf die Membran 6 zu übertragen. Das in der Primärseite der Membranpumpe 1 vorhandene Gas expandiert somit im sich vergrößernden Primärgasvolumen oder Teilvolumen 8 der Membranpumpe 1 . Gleichzeitig wird auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 6 Frischgas im sich verkleinernden, in die Frischgasleitung 106 geschalteten Sekundär- oder Frischgasvolumen oder Teilvolumen 10 der Membranpumpe 1 komprimiert. In der Membranpumpe 1 wird somit die auf der Primärseite in Expansionsarbeit umgewandelte Enthalpie des Abgases in Kompressionsenergie des in der Frischgasleitung 106 auf der Sekundärseite geführten Frischgases umgewandelt.

Durch die äußerst geringe Masse der Membran 6 ist eine sehr schnelle Volumenänderung in der Membranpumpe 1 und dem entsprechend eine unverzügliche Entspannung des Abgases innerhalb weniger Grad Kurbelwelle ermöglicht, so dass die für die Umwandlung der auf der Primärseite in Expansionsarbeit umgewandelten Enthalpie des Abgases in Kompressionsenergie des in der Frischgasleitung 106 auf der Sekundärseite geführten Frischgases vorgesehene erste Taktphase des Auslasstakts entsprechend kurz gehalten werden kann.

Anschließend folgt die zweite Taktphase des Auslasstakts, in der das Abgas zur Auspuffanlage 82 strömt. Nach erfolgter Deformation der Membran 6 wird diese durch eine Rückstellkraft wieder in ihre Ausgangslage bewegt und schiebt das Abgas bzw. die in der Stichleitung 98 befindliche Gassäule über die Stichleitung 98 zur Impulsweiche 96 zurück. Von dort gelangt das Abgas in der zweiten Taktphase des Auslasstakts unter Umgehung der Membranpumpe 1 , also ohne diese zu durchströmen, in den Abgaskanal 102. Ebenso schiebt der Kolben 74 das im Zylinder 72 noch vorhandene Abgas aus diesem über den Abgasstrang 90 und die Impulsweiche 96 in den Abgaskanal 1 12. Das Frischgas wird hingegen während der Kompression aus der Membranpumpe 1 durch ein dort vorgesehenes Rückschlagventil in die als Druckspeicherleitung vorgesehene und ausgestaltete Frischgasleitung 106 gedrückt, in der es verweilt, bis das Einlassventil 88 und ein eventuell vorhandenes Zusatzventil 120 sich öffnen. Die Frischgasleitung 106 kann somit als Zwischenspeicher angesehen werden, dem das in der Membranpumpe 1 komprimierte Frischgas zugeführt und dort zur Einspeisung in den Brennraum 80 des Zylinders 72 bereitgehalten wird.

Die Membranpumpe 1 , 1 ^' , 1 ^" eignet sich besonders für die Verwendung in der Art einer Abgasladepumpe zur Aufladung von Ein- und Zweizylinderverbrennungsmotoren, wie sie beispielsweise in Zweirädern, ATVs, Motorschlitten, Freizeitgeräten, Flugtriebwerken und Stationärmotoren verwendet werden, aber auch für Mehrzylindermotoren im PKW-Bereich, um beispielsweise vorhandene Turbolader zu unterstützen. Im Folgenden werden weitere bevorzugte und jeweils für sich genommen als eigenständig erfinderisch angesehen Konzepte zur Einbindung einer solchen Abgasladepumpe in das Abgassystem eines Verbrennungsmotors dargestellt.

Ladungsschichtung:

Durch die Verwendung einer Membranpumpe 1 , 1 ^' , 1 ^" der vorstehend beschriebenen Art als Abgasladepumpe ergeben sich weiterführende Möglichkeiten der Ladungsschichtung im Zylinder 72 eines Verbrennungsmotors 70 ^' , durch die insbesondere auch leicht entzündliche Brennstoffe wie Wasserstoff kontrolliert genutzt werden können.

In Fig. 8 ist ein solcher, für die Nutzung von Wasserstoff als Brennstoff ausgelegter Verbrennungsmotor 70 ^' dargestellt. Dieser wird als eigenständig erfinderisch angesehen.

Der in Fig. 8 dargestellte Verbrennungsmotor 70 ^' ist dafür ausgelegt, in der Spülphase sowohl mit vorverdichteter Luft aus der Membranpumpe 1 , 1 ^' , 1 ^" gemäß dem vorstehend beschriebenen Arbeitsprinzip als auch mit Luft aus der atmosphärische Umgebung versorgt zu werden. Dazu mündet in die Frischgasleitung 106 an einer Stelle nach dem Ladeluftkühler 108 eine zusätzliche, mit einem Rückschlagventil 122 versehene Frischluftleitung 124 ein. Die Spülung des Zylinders 72 erfolgt dabei in zwei zeitlich getrennten Phasen. Am Beginn der Einlassspülung bzw. Überschneidungsphase von Ein- und Auslassventilen wird ausschließlich aus der als Speicherleitung dienenden Frischgasleitung 106 vorkomprimierte Luft zur Spülung des Zylinders 72 genutzt, Erst wenn der Druck in der als Speicherleitung dienenden Frischgasleitung 106 Atmosphärenniveau erreicht hat, beginnt der Verbrennungsmotor 70 ^' , in der zweiten Spülphase über das Rückschlagventil 122 Luft aus der Umgebung anzusaugen. Die erste Spülphase wird zum Ausspülen von Restgas und zum Kühlen der Brennraumoberflächen im Motor genutzt. In der zweiten Spülphase kann der atmosphärischen Luft Kraftstoff beigemischt werden. Dieses Spülverfahren ermöglicht eine Vermeidung von Kraftspülverlusten in das Auslasssystem und eine Unterbindung des direkten Kontakts von Kraftstoff-Luft- Gemisch mit heißem Abgas. Ein solches, als eigenständig erfinderisch angesehenes Spülverfahren ist somit insbesondere für leicht entzündliche Kraftstoffe wie Wasserstoffgas vorteilhaft, um durch Brennraumkühlung und Luftvorlagerung das Selbstzündungsrisiko zu verringern.

Nachladung:

Der in FIG. 9 dargestellte, ebenfalls als eigenständig erfinderisch angesehene Verbrennungsmotor 70 ^" ist gezielt zur Erreichung besonders hoher Aufladegrade ausgelegt. In dieser Variante ist die mit dem Rückschlagventil 122 versehene Frischluftleitung 124 zusätzlich zu und in Kombination mit dem Zusatzventil 120 in der Frischgasleitung 120 vorgesehen.

Beim Betrieb dieses Verbrennungsmotors 70 ^" ist in einer ersten Spülphase die als Druckspeicherleitung dienende Frischgasleitung 106 durch das Zusatzventil 120 versperrt. Der Motor saugt somit in dieser Spülphase ausschließlich über die Frischluftleitung 124 Luft aus der Atmosphäre an, bis der abwärts gehende Kolben 74 etwa den Bereich des unteren Totpunkts erreicht hat. Nun öffnet für die zweite Spülphase das Zusatzventil 120 die Frischgasleitung 106, so dass die dort vorgehaltene, mittels der Membranpumpe 1 , 1 ^' , 1 ^" vorkomprimierte Luft über den Ansaugkanal in den Motorzylinder strömt und zur gewünschten Aufladung führt. Das Rückschlagventil 122 in der Frischluftleitung 124 verhindert dabei das Ausströmen der vorverdichteten Luft in die Atmosphäre. Die hohen Aufladegrade werden in dieser Ausführungsform dadurch erreicht, dass der Verbrennungsmotor 70 ^" seine Zylinderfüllung zum erheblichen Teil durch freies Ansaugen erhält und die komplette durch die als Abgasladepumpe verwendete Membranpumpe 1 , 1 ^' , 1 ^" vorverdichtete Luft ausschließlich zur Nachladung genutzt wird. Der in der den Ansaugkanal bildenden Frischgasleitung 106 verbleibende Luftdruck beim Schließen von Einlass- und Zusatzventil unterstützt im nachfolgenden Arbeitstakt eine effiziente Restgasausspülung.

Nachladung an zwei Zylindern mit 360 Grad Zündabstand:

Für zwei Zylinder 72 mit 360 Grad Zündabstand, die im Viertaktverfahren arbeiten, ist vorteilhafterweise eine der jeweils ebenfalls als eigenständig erfinderisch angesehenen Ausgestaltungen gemäß FIG. 10 oder FIG. 11 vorgesehen, mit denen auf besonders einfache und effiziente Weise eine Nachladung erreichbar ist. Durch den 360 Grad Zündversatz der beiden Motorzylinder 72 tritt der die Membranpumpe 1 , 1 ^' , 1 ^" antreibende Abgasimpuls eines Zylinders 72 etwa zeitgleich mit dem günstigen Zeitpunkt für die Frischgasnachladung des anderen Zylinders 72 auf. Dieser Umstand ermöglicht es, ohne phasensteuernde Zusatzventile auszukommen und den Abgasimpuls eines Zylinders 72 zur Frischgasnachladung des korrespondierenden zweiten Zylinders 72 zu nutzen. Beide Motorzylinder 72 vollziehen, wie oben beschrieben, anfangs eine freisaugende Lufteinbringung.

Das vorstehend beschriebene erfinderische Verfahren eignet sich in besonderem Maße für alle Motorenbauarten geradzahliger Zylinderanzahlen, bei denen jeweils zwei Zylinder 72 um 360 Grad im Arbeitstakt versetzt sind, und die mit jeweils einer als Abgasladepumpe geschalteten Membranpumpe 1 , 1 ^' , 1 ^" pro Zylinder 72 (FIG. 10) bzw. pro zwei Zylindern 72 (Fig.1 1 ) ausgerüstet sind. Für den Vierzylinderreihenmotor mit flacher Kurbelwelle beispielsweise werden bevorzugt die Zylinder 1 und 4 bzw. 2 und 3 für das beschriebene Aufladeverfahren zusammenge- fasst.

Um eine besonders hohe Steigerung des Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors 70, 70 ^' , 70 ^" , 70 ^{" '} , 70 ^{" "} mittels der Nutzung der Abgasenthalpie zu ermögli- chen, ist in einer bevorzugten Ausführung die Membranpumpe 1 gemäß der vorstehenden Beschreibung für einen besonders effizienten Impulsübertrag aus der Abgasdruckwelle auf die Membran 6 und somit eine Umwandlung in Kompressionsenergie des Frischgases ausgelegt. Dazu ist die Einleitung der Abgasdruckwelle in das Primärvolumen der Membranpumpe 1 über den Diffusor besonders günstig.

Wie in der Darstellung gem. FIG. 12 angedeutet, wird der Diffusor dabei in diesem Ausführungsbeispiel durch die trichterartige oder kegelstumpfartige Formgebung des Gehäusedeckels 12, entsprechend der in FIG. 1 dargestellten Variante der Membranpumpe 1 , realisiert. Selbstverständlich sind aber auch alle anderen dargestellten Varianten für die Ausgestaltung der Membranpumpe 1 , 1 ^' , 1 ^" vorteilhaft und günstig.

Alternativ oder zusätzlich kann der erfindungsgemäß für die Einleitung der Abgasdruckwelle in die Membranpumpe 1 vorgesehene Diffusor aber auch durch eine entsprechende Ausgestaltung der Stichleitung 98 an sich realisiert sein. In dieser eigenständig erfinderischen Variante weist die Stichleitung 98 in ihrem Einmündungsbereich in die Membranpumpe 1 eine im Vergleich zu ihrer Verbindungsstelle mit der Impulsweiche 96 mindestens um das Eineinhalbfache vergrößerte freie Querschnittsfläche auf.

Eine auf einer derartigen Ausführung der Stichleitung 98 als Diffusorelement basierende besonders vorteilhafte Variante der Erfindung, die insbesondere für Anwendungen in Mehrzylindermotoren besonders günstig und geeignet ist, ist schematisch in FIG. 12 gezeigt. Dabei sind in einer Membranpumpeneinheit 130 mehrere Komponenten einzelner Membranpumpen zusammengeschaltet und kombiniert, um ein größeres Pumpvolumen zu erreichen. Vorteilhaft sind dabei Anordnungen, bei denen die Kammern gleicher Funktion zusammengefasst werden. Insbesondere ist dabei ein gemeinsames, das Primärvolumen für zwei oder mehr Sekundärvolumina bildende Teilvolumen 8 vorgesehen, das beidseitig von jeweils einer elastisch verformbaren Membran 6 begrenzt ist. Das Teilvolumen 8 ist an- triebsgasseitig mit der Stichleitung 98 verbunden, die sich unmittelbar vor der Ein- mündung in das Teilvolumen 8 in ihrem Querschnitt aufweitet und damit den Dif- fusorbereich 132 bildet. Damit ist auch hier im Einströmbereich ein diffusorartiger Rohrverlauf vorgesehen, dessen Leitungsquerschnitt sich zur Primärseite der Membranpumpe hin vergrößert und in diesem Ausführungsbeispiel einen annähernd rechteckigen Querschnittsverlauf annimmt.

Sekundärseitig ist beidseitig des Teilvolumens 8 in diesem Beispiel jeweils ein die Sekundärseite bildendes Teilvolumen 10 angeordnet, das jeweils über die zugeordnete Membran 6 vom ersten Teilvolumen 8 gasdicht getrennt ist, und das jeweils - analog zu den vorgenannten Beispielen - über einen Frischgasdruckka- nel/- saugkanal 26, 28 in den Frischgasstrang jeweils eines Zylinders eines Verbrennungsmotors geschaltet ist. Damit können über die Membranpumpeneinheit 130 beispielsweise zwei Zylinder des Verbrennungsmotors gleichzeitig mit vorkomprimiertem Frischgas versorgt werden, wobei lediglich eine Stichleitung 98 mitsamt dem zugeordneten primärseitigen Teilvolumen 8 erforderlich ist.

Beispielsweise kann ein gemeinsamer Gehäusedeckel für beide Pumpeneinheiten vorgesehen sein. Eine solche Doppelkammer auf der Seite des Arbeitsgases lässt das Antriebsgas vorteilhafterweise seitlich auf das Zentrum der Membranen 6 zuströmen. Damit ist der gewünschte Druckverlauf erreichbar.

Um den angestrebten Energieübertrag von Antriebsgas auf die Membran 6 durch Impulsübertrag, beispielsweise in der Auslegung gem. FIG. 7, noch weiter zu verbessern, ist vorteilhafterweise die Gasmasse im Hinblick auf die Membranmasse geeignet gewählt. Vorzugsweise sind Gasmasse und Membranmasse, einschließlich aller bewegter, mit der Membran 6 verbundener Massen, in etwa gleich. Da in der Praxis die Membranmasse häufig größer ausfällt als die sich in der Druckwelle befindende Gasmasse, kann die Gasmasse, die letztendlich auf die Membran 6 wirkt, durch das sich in der Stichleitung 98 befindliche Gaspolster vergrößert werden. Diesem Gaspolster ist auch die im Diffusor befindliche Gasmasse zuzurechnen. Eine somit in die Stichleitung 98 einlaufende Druckwelle trifft mit ihrem Impuls auf die sich in der Stichleitung 98 und dem Diffusor befindliche Gasmasse, beschleunigt diese, wobei sich die Gesamtgasmasse erhöht, aber die Gasgeschwin- digkeit der Gesamtgasmasse niedriger wird als die der anfangs einlaufenden Druckwelle. Der Impuls jedoch bleibt annähernd erhalten mit dem Resultat, dass Gasmasse und Membranmasse sich im Verhältnis angenähert haben und ein höherer Energieübertrag auf die Membran erfolgt.

Der Anteil des Impulses des Antriebsgases, der nicht auf die Membran 6 übertragen wird, tritt als reflektierte Gasmasse auf. Um diesen Restimpuls des Antriebsgases zur Energieübertragung auf die Membran zu 6 nutzen, ist der Diffusor vor der Membran 6 hilfreich, da er den Gasstrom kegelförmig auf die Membran 6 treffen lässt und somit die reflektierten Gasmoleküle eine radiale Komponente besitzen, die sie unter weiterer Impulsabgabe zwischen Membran 6 und Gehäusedeckel 12 radial nach außen zum Gehäuserand laufen lässt, so dass sich hier der statische Gasdruck weiter erhöht.

Da die Membranpumpe 1 im Ausführungsbeispiel mit heißem Antriebsgas, nämlich dem Abgas aus dem Verbrennungsmotor 70, betrieben wird, ist die Stichleitung 98 einschließlich Diffusor zum Arbeitsraum vorteilhafterweise in ihrem Volumen um das 1 ,5- bis 3-Fache größer als das Pumpvolumen der Membranpumpe 1 ausgelegt. Die demzufolge vor der Membran 6 in der Stichleitung 98 und/oder dem Diffusor stehende Gassäule stellt eine thermische Isolierung gegen das heiße Abgas des Verbrennungsmotors 70 dar. Ein direktes Auftreffen der heißen Druckwelle auf die Membran 6 wird durch diese vorgelagerte Gassäule verhindert.

Die Stichleitung 98 kann zudem zur Temperaturabsenkung des Antriebsgases in der Membranpumpe 1 bei Bedarf gekühlt werden. Vorteilhaft zweigt die Stichleitung 98 zur Membranpumpe 1 direkt, wie in FIG. 7 bis 1 1 jeweils dargestellt, am Zylinderkopf des jeweiligen Verbrennungsmotors 70, 70 ^' , 70 ^" , 70 ^{" '} , 70 ^{" "} von der Abgas führenden Leitung ab. Dieser Abzweig sollte für geringe Verluste der antreibenden Druckwelle grundsätzlich möglichst nahe am Entstehungsort der Gaspulsationen, wie beispielsweise am Auslasskanal eines Motorzylinderkopfs, angebracht werden. Der Abzweig ist vorteilhafterweise derart gestaltet, das der in den Abzweig einlaufende Gasimpuls vornehmlich in den Zweig der Stichleitung 98 zur Membranpumpe 1 hineinläuft, wie beispielsweise gerade Rohrdurchgänge in Pumpenrichtung, bzw. bei Krümmungen im Abzweig den Gasabfluss zum Schalldämpfer auf die Krümmungsinnenseite des Pumpenabzweigs zu legen.

Der oben beschriebene Verbrennungsmotor 70, 70 ^' , 70 ^" , 70 ^{" '} , 70 ^{" "} kann auf verschiedene Weise ausgelegt sein. Als besonders günstig und als eigenständig erfinderisch werden jeweils angesehen (einzeln oder als Kombination miteinander):

- Die Ausführung des Verbrennungsmotors 70, 70 ^' , 70 ^" , 70 ^{" '} , 70 ^{" "} als Einzylindermotor,

- Die Ausführung des Verbrennungsmotors 70, 70 ^' , 70 ^" , 70 ^{" '} , 70 ^{" "} als Zweizylindermotor,

- Die Ausführung des Verbrennungsmotors 70, 70 ^' , 70 ^" , 70 ^{" '} , 70 ^{" "} als Motor mit mindestens drei Zylindern 72,

- Die Ausführung des Verbrennungsmotors 70, 70 ^' , 70 ^" , 70 ^{" '} , 70 ^{" "} als Zweitaktmotor,

- Die Ausführung des Verbrennungsmotors 70, 70 ^' , 70 ^" , 70 ^{" '} , 70 ^{" "} als Viertaktmotor,

- Die Ausführung des Verbrennungsmotors 70, 70 ^' , 70 ^" , 70 ^{" '} , 70 ^{" "} als Motor, dessen Zylinder 72 jeweils Einzelhubräume von höchstens 250, bevorzugt höchstens 200, ccm aufweisen,

- Die Ausführung des Verbrennungsmotors 70, 70 ^' , 70 ^" , 70 ^{" '} , 70 ^{" "} als Motor für Wasserstoff als Brennstoff,

- Die Verwendung des Verbrennungsmotors 70, 70 ^' , 70 ^" , 70 ^{" '} , 70 ^{" "} in einem Motorrrad,

- Die Verwendung des Verbrennungsmotors 70, 70 ^' , 70 ^" , 70 ^{" '} , 70 ^{" "} in einem„AH Terrain Vehicle" (ATV). Bezugszeichenliste , r, 1 ^" Membranpumpe

Druckgehäuse

Innenvolumen

Membran

, 10 Teilvolumen

, 14 Gehäusedeckel

Anschlag

Kontaktscheibe

Feder

Einströmfläche

Ein- und Auslasskanal

Frischgassaugkanal

Frischgasdruckkanal

, 32 Rückschlagventil

Innenfläche

Blattfeder

freies Ende

Innenseite

Diffusorbereich

Kegelstumpf

Zentralachse

Vertiefung

Stirn kante

Teilbereich

Membranrand

, 54 O-Ring

Feder

Federteller

Führungsstift

Gleitlager

, 70 ^' , 70 ^" , 70 ^{' "} .

70 ^{" "} Verbrennungsmotor

72 Zylinder

74 Arbeitskolben

76 Pleuel

78 Kurbelwelle

80 Brennraum

82 Auspuffanlage

84 Gaseinlasssystem

86 Einlassventilsystem

88 Einlassventil

90 Abgasstrang

92 Ausiassventilsystem

94 Auslassventil

96 Impulsweiche

98 Stichleitung

102 Abgasleitung

106 Frischgasleitung

108 Ladeluftkühler

110 Hauptkanal

112 Abgaskanal

120 Zusatzventil

122 Rückschlagventil

124 Frischluftleitung

130 Membranpumpeneinheit

132 Diffusorbereich