DE2535845A1

DE2535845A1 - Lastregelung fuer gemischverdichtende brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2535845A1
Application number: DE19752535845
Authority: DE
Inventors: Guenther Haefner
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1975-08-12
Filing date: 1975-08-12
Publication date: 1977-02-24

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 10 βθ6/4

Stuttgart-Untertürkheim 7.8.75

Lastregelung für gemischverdichtende
Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Lastregelung für gemischverdichtende Brennkraftmaschinen, bei der der Füllungsgrad in Abhängigkeit von der gewünschten Leistung verändert wird.

Die Lastregelung für gemischverdichtende Brennkraftmaschinen erfolgt üblicherweise durch Drosselung mittels einer im Ansaugkanal der Maschine angeordneten Drosselklappe. Diese Drosselung während des Ansaugvorganges stellt eine Verlustarbeit dar, die im pi v-Diagramm in der sogenannten Gaswechselschleife zum Ausdruck kommt und deren unterhalb der Atmosphären-Linie liegenden Flächenanteil ausmacht. Insbesondere im unteren Teillastbereich führt diese Verluatarbeit zu einer wesentlichen Minderung des effektiven Wirkungsgrades der Maschine und damit zu einem entsprechend hohen effektiven spezifischen Kraftstoffverbrauch.

Um diese Verlustarbeit zu verringern, ist bereits eine sogenannte Rückschubregelung vorgeschlagen worden (DT-PS 809 613),

in
bei der/jede» Lastzustand zunächst eine ungedrosselte Füllung des gesamten Zylinderrauines im Ansaugtakt erfolgt und bei der nachfolgend im Kompressionstakt durch Wiederausschieben eines Teiles der angesaugten Gasmenge eine Anpassung an die für die

vorgenommen jeweilige Leistung notwendige Gasmenge / wird. Gesteuert wird

dieser Vorgang dadurch, daß das jeweilige Einlaßventil ent-

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sprechend weit in den Kompressionstakt hinein offen gehalten wird. Im Teillastbereich wird somit ein Teil der Gasmasse hin- und hergeschoben, was zu erheblichen Strömungsverlusten führt, die einen Teil des durch die vermiedenen Drosselverluste erreichten Gewinnes wieder zunichte machen, so daß nur eine geringe Absenkung des Teillast-Kraftstoffverbrauches erreicht wird.

Um bei einer derartigen Maschine für den Teillastbereich etwa gleiche VerdichtungsenddrUcke wie für Vollast zu erreichen und damit über erhöhte Brenngeschwindigkeiten den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern, wird in Verbindung mit der Rückechublastregelung eine Einrichtung vorgesehen, durch die lastabhänig im Hinblick auf die Aufrechterhaltung des Verdichtungsverhältnisses das Verdichtungsvolumen abgeändert wird. Derartige Einrichtungen bedingen eine wesentliche Komplizierung der Maschine.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Lastregelung für gemischverdichtende Brennkraftmaschinen zu schaffen, mit der sich Drosselverluste ohne zusätzliche Strömungsverluste weitgehend vermeiden lassen, so daß für die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades keine lastabhängigen Änderungen des Verdichtungsverhältnisses vorgenommen werden müssen.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Füllungsgrad über den gesamten Lastbereich der Maschine ausschließlich durch Veränderung der Einlaßöffnungszeit innerhalb des Saugtaktes der Maschine steuerbar ist. Durch eine solche Ausgestaltung, bei der, ausgehend vom maximalen Füllungsgrad, zur Verkürzung der Einlaßöffnungszeit das Einlaßende bevorzugt vorverlegbar ist, wird erreicht, daß anstelle eines Drosselvorgangeβ über den gesamten Ansaugtakt während eines Teiles desselben ungedrosselt angesaugt wird, während für den Rest des Saugtaktes dic Ansaugung unterbrochen ist und statt dessen eine Zwischenexpansion des bereits angesaugten Mediums erfolgt. Diese Zwischenexpansion

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bedingt einen im Vergleich zur Drosselung über den gesamten Ansaugbereich wesentlich geringeren Verlust, und es ergibt sich dementsprechend ein verbesserter Wirkungsgrad der Maschine bei Vermeidung zusätzlicher Aufwendungen für Veränderungen im Verdichtungsverhältnis.

Im Rahmen der Erfindung erweist es sich als zweckmäßig, wenn insbesondere im Teillastbereich die Zeit für das Öffnen und/oder Schließen des über die Öffnungszeit gegebenen Öffnungsquerschnittes gegen Null geht.

Bevorzugt wird im Rahmen der Erfindung aber lediglich mit Verlegung des Einlaßendeβ gearbeitet.

Bei einer Brennkraftmaschine mit einer Ventilsteuerung, deren Ventil über einen Hebel betätigt ist, welchem ein Lagerpunkt zugeordnet ist, der über einen in einem Zylinderraum angeordneten Stützkolben hydraulisch gehalten und verlagerbar ist, läßt sich eine Lastregelung gemäß der Erfindung konstruktiv einer bevorzugten Ausführungeform zufolge dadurch verwirklichen, daß der Zylinderraum mit einem Zusatzvolumen zu verbinden und die Verbindung zwischen Zylinderraum und Zusatzvolumen über einen in Richtung auf seine Schließlage nachgiebig abgestützten Schaltkolben aufsteuerbar ist, der. nach Einleitung der Öffnungsbewegung durch ein Stellglied durch die Druckflüssigkeit in Richtung auf seine Öffnungsstellung verschiebbar ist. Im Hinblick auf die Rückstellung in seine Ruhelage nach Abbau des Druckes ist der StUtzkolben in Richtung auf diese nachgiebig abgestützt.

Das Zusatzvolumen kann im Rahmen der Erfindung bevorzugt zumindest teilweise durch einen Druckspeicher gebildet sein, der zweckmäßigerweise ein Puffervolumen aufweist, das durch ein entgegengesetzt

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zur Beaufschlagung durch die Druckflüssigkeit vorgespanntes Element begrenzt ist.

Im Hinblick darauf, daß bei Rückströmen der Flüssigkeit vom Zusatzvolumen in den Zylinderraum der Schaltkolben nicht absperrt, bevor der Druckspeicher entspannt ist, ist im Rahmen

ape z. der Erfindung die auf den Schaltkolben wirkende/Vorspannkraft kleiner als die auf das Begrenzungselement des Druckspeichere

spez.
wirkende/VorSpannkraft.

Der Zeitpunkt, zu dem der Schaltkolben über das Stellglied aus seiner Schließlage verstellbar ist, ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt lastabhängig steuerbar. Im Hinblick auf diese lastabhängige Steuerung erweist es sich als zweckmäßig, wenn die Vorspannkraft für den Schaltkolben im Sinne einer Verstärkung bei zunehmender Last veränderbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden mit weiteren erfindungsgemäßen Einzelheiten anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch die Ventilsteuerung einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit hydraulischer, gesteuert nachgiebiger Abstützung der Kipphebelachse,

Fig. 2 eine erst« Ausführungsform der Steuerung

für die hydraulische Abstützung in schematischer Darstellung, und

Fig.3 ein· zweite Ausführungsform einer Steuerung für die hydraulische Abstützung, wiederum schematisch dargestellt.

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In Fig. 1, die im wesentlichen einen Schnitt durch den Kopfbereich einer Hubkolben-Brennkraftmaschine zeigt, ist mit 1 eine Zylinderbohrung der Maschine bezeichnet, in der ein Kolben 2 angeordnet ist. Der Kolben 2 grenzt nach unten den volumenveränderlichen Zylinderraum 3 ab ι der nach oben durch den Zylinderkopf U begrenzt ist. Dem Zylinderkopf h sind als Gaswechselorgane Ventile zugeordnet, von denen eines hier gezeigt und mit 5 bezeichnet ist. Die Ventile sind, wie für das Ventil 5 dargestellt, in üblicher Weise in Richtung auf ihre Schließlage über Ventilfedern 6 vorgespannt und werden, entsprechend dem Arbeitsverfahren des Motores, zu vorgegebenen Zeiten geöffnet und geschlossen. Hierfür ist im Ausführungsbeispiel, wie für das Ventil 5 gezeigt· jedem der Ventile ein Kipphebel 7 zugeordnet, der um eine Achse 8 schwenkbar ist und der im Ausführungsbeispiel über eine Stößelstange 9 vom Nocken 10 einer Nockenwelle beaufschlagt wird. Die in Fig. 1 im Ausschnitt dargestellte Brennkraftmaschine entspricht somit insoweit dem üblichen, und es bedarf daher keiner näheren Erläuterung.

Die Schwenkachse 8 für den Kipphebel 7 ist im erfindungsge-

mäß»n Ausführungsbeispiel mit einem Stützkolben 12 verbunden, An

der/einer im Zylinderkopf k vorgesehenen Zylinderbohrung 13 geführt ist und dessen die Kipphobelachse 8 tragende Kolbenstange lh durch eine in die Zylinderbohrung 13 eingesetzte Buchse 15 geführt ist. Zwischen der inneren, dem in der Zylinderbohrung 13 liegenden Kolben 12 zugeordneten Stirnseite 16 der Buchse 15 und dem Kolben 12 ist die Kolbenstange 14 von einerin der Zylinderbohrung liegenden Feder 17 umgeben, durch die der Stützkolben 12, und damit auch die Schwenkachse 8 für den Kipphebel in Richtung des Pfeiles 18 verspannt ist. Die Spannrichtung (Pfeil 18) ist den Kräften entgegengerichtet, die auf dem Kipphebel 7 beim Öffnen des Ventiles 5 durch das Ventil5(Pfeil 19)

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einerseits und die Stößelstange 9 (Pfeil 20) ausgeübt werden.

Zusätzlich zur Belastung durch die Feder 17 ist der Kolben 12 hydraulisch, also mittels Druckflüssigkeit in Richtung auf die dargestellte Ausgangsstellung abstützbar, und es ist zu diesem Zweck, wie in Fig. 1 durch die Anschlußbohrung 21 angedeutet, die Zylinderbohrung 13 an ein hydraulisches Steuersystem angeschlossen. Dieses wird nachfolgend anhand der Fig. und 3 näher erläutert.

Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, schließt an die Bohrung 21 eine Leitung 22 an, in die über eine Leitung 23» z.B. aus dem Schmierkreislauf der Brennkraftmaschine Drucköl eingespeist wird. Im Übergang von der Leitung 23 zur Leitung 22 ist ein Rückschlagventil iy angeordnet, das einen Rücklauf von Flüssigkeit aus der Leitung 22 in die Leitung 23 verhindert. Die Leitung 22 mündet auf ein Puffervolumen 2k aus, das volumenveränderlich ist, und es' ist der Übergang zwischen der Leitung zu dem Puffervolumen 2k über einen Schaltkolben 25 absperrbar. Der Sciialtkolben 25 ist in Richtung auf seine Sperrlage» z.B. durch eine Feder 26, vorbelastet, wobei er in seiner Sperrstellung die Mündung der Leitung 22 zum Puffervolumen 2^t mit einem Teil seines tlmfanges abschließt» Die Stirnfläch· 29 des Kolbens 25 ist in der Sperrlage desselben dem Puffervolumen zugeordnet und damit durch den in der Leitung 22 her sehenden Druck nicht beaufschlagt.

Das Puffervolumen 2k ist im Ausführungsbeispiel teilweise durch einen Kolben 27 begrenzt, welcher im Hinblick auf eine Verringerung des Puffervolumens nachgiebig abgestützt ist. Der Kolben 27 bildet damit ein im Hinblick auf die Verringerung des Puffervolumens vorgespanntes Element und 1st im Ausführungsbeispiel über ein· Feder 28 nachgiebig abgestützt.

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Der dem Puffervolumen Zk zugeordneten Stirnfläche 29 des Schaltkolbens 25 liegt ein Stellglied 30 gegenüber, das in Öffnungsrichtung des Schaltkolbens 25 ausfahrbar ist und das auf hydraulischem oder elektrischem Wege betätigbar ist, wobei der Betätigungszeitpunkt lastabhängig, z.B. in Abhängigkeit von der Stellung des nicht gezeigten Fahrpedales veränderbar ist. Entsprechend seiner Lage kann das Stellglied 30 gleichzeitig einen Anschlag für den Schaltkolben in dessen Schließlage bilden.

Im Hinblick auf die angestrebte Funktion sind die den Schaltkolben 25 abstützende Feder 26 und die den Kolben 27 abstützende Feder 28 so aufeinander abgestimmt, daß sich, bezogen auf die jeweilige Kolbenfläche, für den das Puffervolumen begrenzenden Kolben 27 eine höhere Vorspannung als für den Schaltkolben 25 ergibt. So kann der Schaltkolben mit einer einem Druck von etwa 10 bar entsprechenden Kraft und der Pufferkolben mit einer einem Druck von etwa 20 bar entsprechenden Kraft beaufschlagt sein.

Im Hinblick auf die erfindungegemäße, über den gesamten Lastbereich der Maschine ausschließlich durch Veränderung der Einlaßzeit erfolgende Lastregelung wird mittels der vorgeschilderten, erfindungsgemäßen Steuerung für die hydraulische Abstützung des Kipphebels erreicht, daß der Ansaugvorgang durch Schließen des Einlaßventiles unterbrochen wird, sobald sich die dem jeweiligen Lastzustand entsprechende Gemischmenge im Zylinderraum befindet. Die Unterbrechung des Ansaugvorganges durch Sehließen des Ventiles erfolgt dabei in angestrebter Weise nahezu schlagartig. Erreicht wird dies dadurch, daß das Stellglied 30 zu einem lastabhängig vorgegebenen Zeitpunkt auf hydraulischem oder elektrischem Wege in Richtung auf den Schaltkolben 25 ausgefahren wird und dadurch die Verbindung von der Leitung

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zum Puffervolumen 2k freigibt. Mit Freigabe der Verbindung wird der in der Zylinderbohrung 13 herrechende Druck über die Leitung 22 auf die Stirnfläche 29 des Schaltkolbens 25 wirksam, so daß dieser entgegen der Vorspannung durch die Feder 26 in eine Öffnungslage zurückgedrängt wird. Entsprechend der Abstimmung der Vorspannkräfte (Federn 26, 28) wird erst danach das Puffervolumen durch Verschieben des Kolbens 27 entgegen der Vorspannkraft (Feder 28) vergrößert. Wegen der auch praktisch nahezu vollständigen Inkompressibilität des übertragungsmediums vollzieht sich das Öffnen des Schaltkolbens 2k und das Zurückdrängen des Pufferkolbens 27 nahezu gleichzeitig und schlagartig, so daß auch der Stutzkolben 12 und damit die Abstützung für den Kipphebel 7 ausweichen können, was ein Schließen des Ventlles zur Folge hat, und zwar unabhängig von der jeweiligen Stellung des Nockens 10. Im Verlaufe der weiteren Drehung desselben wird der StUtzkolben 12 über die Feder 17 und dem im Hydrauliksystem herrschenden Druck entsprechend dem Ablauf der Nockenkurve auf seine Ausgangslage zurückgestellt. Sinkt hierbei der Druck im Puffersystem unter den Druck ab, der, bezogen auf die Stirnfläche des Schaltkolbens 25 der diesem zugeordneten Vorspannkraft entspricht, so wird das Puffersystem wiederum gegenüber der Leitung 22 abgeschlossen und es kann der geschilderte Ablauf entsprechend dem Betrieb der Maschine von vorne beginnen.

Anstelle der anhand der Fig. 2 geschilderten Lösung, bei der der Betätigungsimpuls für das Stellglied 30 in Abhängigkeit von der jeweils gewünschten Last früher oder später gegeben wird, so daß sich ein geringerer oder ein größerer Füllungsgrad ergibt, kann gemäß der Aueführungeform nach Fig. 3 die lastabhängige Steuerung der Öffnung des Schaltkolbens, und damit das Schließen des Ventiles auch dadurch erreicht werden, daß die Vorspannkraft für den Schaltkolben lastabhängig verändert wird, womit es möglich wird, die Betätigungskraft für das Stellglied 30 durch aus der Leitung 22 abgeleitete Druckflüssigkeit

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aufzubringen· Die Leitung 22 ist hierfür über eine Leitung 31 mit einem Führungszylinder 32 für das Stellglied 30 verbunden.

Die lastabhängige Veränderung der Vorspannkraft kann, wie dies in Fig. 3 symbolisch angedeutet ist, dadurch erreicht werden, daß der dem Schaltkolben 25 gegenüberliegende Anschlag für die Feder Z6 mit zunehmender Last in Richtung auf den Schaltkolben 25 verschoben wird, so daß mit zunehmender Belastung eine Verhärtung der Feder 26 eintritt. Konstruktiv ist es hierfür beispielsweise möglich, der Feder 26 eine in Richtung auf den Schaltkolben 25 verstellbare Anlage 33 zuzuordnen, die über einen Stützhebel 3^ beaufschlagbar ist, welcher im Sinne einer Verstellung der Anlage 33 gegen den Schalt^olben 25 bei zunehmender L?:st verschwenkbar ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist ferner eine Verbindungsleitung 35 zwischen der Ölzufuhrleitung 23 und dem über den Schaltkolben 25 gegenüber dem Kolben 27 abgegrenzten Puffervolumen 2k vorgesehen, in der eine Drossel "}6 angeordnet ist. Die Funktion dieser Leitungsverbindung besteht darin, die Leerlaufdrehzahl zu stabilisieren, also ein Hochlaufen der Maschine im Leerlauf bei unveränderter Laststellung zu verhindern. Dieser Effekt wird bei der gegebenen Leitungsverbindung 35 dadurch erreicht, daß der Druck im Puffervolumen 24, und damit auch wie auf die Stirnfläche 29 des Kolbens 25 wirkende Kraft entsprechend dem Öldruck in der Leitung 23 bei zunehmender Drehzahl ansteigt, was zu einem früheren Ansprechen, d.h. zu einem früheren Öffnen des Schaltkolbens bei gleicher Laststellung führt. Dementsprechend wird mit steigender Drehzahl bei gleicher Last der Öffnungszeitquerschnitt des Ventiles kleiner, mit der Folge, daß auch der Füllungsgrad und damit wiederum die Drehzahl abgesenkt wird.

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Claims

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Ansprüche

1.) Lastregelung für gemischverdichtende Brennkraftmaschinen, K,y bei der der Füllungsgrad in Abhängigkeit von der gewünschten Leistung verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllungsgrad über den gesamten Lastbereich der Maschine ausschließlich durch Veränderung der Einlaßöffnungszeit innerhalb des Saugtaktes der Maschine steuerbar ist.

2. Lastregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend vom maximalen Füllungsgrad zur Verkürzung der Einlaßöffnungzeit das Einlaßende verlegbar ist.

3· Lastregelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verkürzung der £inlaßöffnungszeit der Einlaßbeginn in Richtung auf das Einlaßende vorverlegbar ist.

k. Lastregelung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere im Teillastbereich die Zeit für das Öffnen und/oder Schließen des über die Öffnungszeit gegebenen Öffnungsquerschnittes gegen Null geht.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Ventilsteuerung, bei der das Ventil über einen Hebel betätigt ist, welchem ein Lagerpunkt zugeordnet ist, der über einen in einem Zylinderraum angeordneten Stützkolben hydraulisch gehalten und verlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderraum (Bohrung 13) mit einem Zusatzvolumen (Puffervolumen 2k) zu verbinden und die Verbindung zwischen dem Zylinderraum und dem Zusatzvolumen über einen in Richtung auf seine Schließlage nachgiebig abgestützten Schaltkolben (25) aufateuerbar ist, der nach Einleitung der Öffnungebewegung durch ein

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Stellglied (30) durch die Druckflüssigkeit in Richtung auf seine Öffnungsstellung verschiebbar ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Stutzkolben (12) in Richtung auf seine Ruhelage nachgiebig abgestützt ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzvolumen (Puffervolumen 24) zumindest teilweise durch einen Druckspeicher gebildet ist.

8· Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 his 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher ein Puffervolumen (2h) aufweist, das durch ein entgegengesetzt zur Beaufschlagung durch die Druckflüssigkeit vorgespanntes Element (Kolben 27) begrenzt ist.

9« Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Begrenzungselement durch einen Kolben (27) gebildet ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Schaltkerben (25) wirkende Vorspannkraft kleiner als die auf den Begrenzungskolben (27) wirkende Vorspannkraft ist.

11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindung von Zylinderraum (Bohrung 13) und Zueatzvolumen (Puffervolumen 2k) Druckflüssigkeit einspeisbar ist.

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12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckflüssigkeit aus dem Schmierkreislauf der Maschine abgezweigtes Öl vorgesehen ist.

13· Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Verbindung von Zylinderraum und Zusatzvolumen einmündenden Speiseleitung (23) ein entgegen der Zufuhrrichtung sperrendes Rückschlagventil (23¹) zugeordnet ist.

Ik, Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (30) lastabhängig derart beaufschlagbar ist, daß sich für den Schaltkolben (25) mit zunehmender Last ein späterer Öffnungszeitpunkt ergibt.

15* Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (30) hydraulisch beaufschlagbar ist.

16₍ Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung fürdbn Sehaltkolben (25) in Richtung auf dessen Schließlage lastabhängig veränderbar ist.

17· Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekenn· zeichnet, daß die Vorapannkraft für den Schaltkolben (25) im Sinne einer Verstärkung bei zunehmender Last veränderbar ist.

18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 16 oder 17t dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (30) mit einem dem Beaufachlagungsdruck des Stutzkolbens (12) entsprechenden Druck beaufschlagbar ist.

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19· Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (23) Über eine Verbindungsleitung (35) an das Puffervolumen angeschlossen ist.

20. Brennkraftmaschine nach Anspruch 19t dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung (35) eine Drossel (36) angeordnet ist.

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