DE4104935A1 - Increasing degree of fill in aspirated engines - uses kinetic energy of exhaust gas immediately exhaust gas valve opens and also with inlet valve closed - Google Patents

Increasing degree of fill in aspirated engines - uses kinetic energy of exhaust gas immediately exhaust gas valve opens and also with inlet valve closed

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Abstract

The fresh gas channel (EK) leading to the inlet valves (Ei) of a cylinder, and the exhaust gas duct (AK) leading from the cylinder outlet valves (Aj) on the other hand are joined to each other by a short-cut or by-pass channel (BK) outside the combustion chamber. With a four-stroke engine, the by-pass channel runs directly along the outside of the combustion chamber wall. The shaping of the by-pass channel aids the cooling output of the through-flowing air, and is so positioned that the spark plugs together with the outlet valves are effectively cooled by the through-flowing air. The connection of the by-pass channel with the fresh gas channel is located as closely as possible to the inlet valve, and its connection with the exhaust gas channel is pref. as close as possible to the outlet valve. USE/ADVANTAGE - For aspirated IC engines, to increase the degree of cylinder fill, using the kinetic energy of the exhaust gas to enhance a suction effect.

Description

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Erhöhung der Frischgasfüllung beim Ansaug- oder Ladetakt eines getaktet arbeitenden Verbrennungsmotors mit innerer Verbrennung ohne Verwendung eines Laders oder Kompressors. Ein erfindungsgemäßer Motor bleibt ein Saugmotor. Die Erfindung ist anwendbar auf Motoren, die nach dem Viertakt- oder dem Zweitaktprinzip arbeiten und auf solche, die nach dem Otto- oder dem Dieselverfahren arbeiten. Sie ist anwendbar auf Hubkolben - wie auch auf jede Art von Rotationskolben - oder sonstige getaktet arbeitende Motoren mit innerer Verbrennung.The invention relates to a method and a pre Direction to increase the fresh gas filling in the intake or Charge cycle of a clocked internal combustion engine internal combustion without using a charger or Compressor. An engine according to the invention remains a naturally aspirated engine. The invention is applicable to motors according to work on the four-stroke or two-stroke principle and on those that work according to the Otto or Diesel process. It is applicable to reciprocating pistons - as well as to all types of Rotary pistons - or other clocked motors with internal combustion.

Stand der TechnikState of the art

Drehmoment und Leistung eines getaktet arbeitenden Motors mit innerer Verbrennung hängen unter anderem wesentlich vom sogenannten "Füllungsgrad" seines Arbeitsraums ab. Wenn keine konstruktiven Vorkehrungen getroffen werden, nimmt bei steigender Drehzahl der Füllungsgrad des Arbeitsraums wegen der Massenträgheit der angesaugten Luft und der immer kürzer werdenden Ansaugzeit mehr und mehr ab und damit Drehmoment und Leistung des Motors.Torque and power of a clocked working Engines with internal combustion hang among other things essentially from the so-called "degree of filling" of his work space from. If no constructive precautions are taken become, with increasing speed the degree of filling of the Work space because of the inertia of the sucked air and the ever shorter suction time more and more and thus the torque and power of the engine.

Um dies zu verhindern, werden bei Motoren mit aktiv gesteuerten Ventilen, z. B. bei Viertakt-Hubkolbenmotoren, die Steuerzeiten der Ein- und Auslaßventile so abgestimmt, daß die Einlaßventile schon öffnen, wenn die Auslaßventile noch nicht geschlossen sind. Dies nennt man "Ventilüberschneidung". Diese Überschneidung bewirkt, daß die ausströmenden Abgase eine Saugwirkung auf die Luft im Ansaugkanal ausüben. Dadurch wird diese vorbeschleunigt. So wird nicht nur ein Absinken des Füllungsgrades verhindert, sondern sogar eine Erhöhung des Füllungsgrades, eine Aufladung, bewirkt. Bei Hochleistungs- und Rennmotoren können durch starke Ventil­ überschneidungen bei hohen Drehzahlen Füllungsgrade von weit über 1 erreicht werden.To prevent this, motors are also active controlled valves, e.g. B. in four-stroke reciprocating engines, the Control times of the intake and exhaust valves so coordinated that open the inlet valves if the outlet valves are still open are not closed. This is called "valve overlap". This overlap causes the outflowing Exhaust gases have a suction effect on the air in the intake duct. This will accelerate it. So not just one Prevents the degree of filling from falling, but even one Increasing the degree of filling, a charge, causes. At High performance and racing engines can use strong valve overlaps at high speeds filling levels of can be achieved well over 1.

Kritik am Stand der TechnikCriticism of the state of the art

Auf Motoren, die keine aktiv gesteuerten Ventile haben, ist das Verfahren der "Ventilüberschneidung" nicht anwendbar. Aber auch da, wo es anwendbar ist, sind dem Verfahren klare Grenzen gesetzt:On engines that have no actively controlled valves the method of "valve overlap" is not applicable. But even where it can be used, the process is clear Set limits:

Bei einem gegebenen Motor gibt es zu jeder gewählten Drehzahl eine optimale Ventilüberschneidung. Erhöht man die Ventilüberschneidung über diesen Wert hinaus, so verschlechtert sich der Füllungsgrad bei der gewählten Drehzahl wieder. Je höher die gewählte Drehzahl, desto größer ist die optimale Ventilüberschneidung. Sehr starke Ventilüberschneidungen, wie man sie für Hochleistungs- und Rennmotoren wählen muß, bewirken einen hohen Füllungsgrad bei einer hohen Drehzahl. Sie haben aber schlechte Füllungsgrade und damit niedriges Drehmoment und kleine Leistung sowie hohen spezifischen Verbrauch und großen Schadstoff- und CO₂- Ausstoß im mittleren und unteren Drehzahlbereich zur Folge. Hochleistungsmotoren mit starren Ventilsteuerzeiten sind prinzpiell unelastisch. Ohne die vorliegende Erfindung ist dies nur mit variabler Ventilsteuerung zu beheben.For a given engine, there are each chosen Speed an optimal valve overlap. If you increase the Valve overlap beyond this value, so worsened  the degree of filling at the selected speed. The higher the selected speed, the greater the optimal one Valve overlap. Very strong valve overlap, how to choose them for high performance and racing engines must cause a high degree of filling at a high Rotational speed. But they have poor fill levels and thus low torque and low power as well as high specific consumption and large pollutant and CO₂ Output in the middle and lower speed range. High performance engines with rigid valve timing are principally inelastic. Without the present invention this can only be remedied with variable valve control.

Prinzipiell kann aber mit dem Verfahren der Ventilüber­ schneidung nur ein Bruchteil der gesamten kinetischen Energie der Abgase zur Erhöhung des Füllungsgrades genutzt werden. Denn, ehe die Einlaßventile öffnen, ist schon ein großer Teil der Abgase aus dem Zylinder geströmt und kann nicht mehr ansaugen. Ferner übt nur die den Einlaßventilen zugewandte kleine Teilmenge der Abgase und in der Endphase des Auslasses die Massenträgheit der Abgase eine Saugwirkung aus.In principle, however, the valve cut only a fraction of the total kinetic Exhaust gas energy used to increase the degree of filling will. Because, before the inlet valves open, there is already a Much of the exhaust gas has flowed out of the cylinder and can no longer suck. Furthermore, only the intake valve exercises facing small subset of the exhaust gases and in the final phase the inertia of the exhaust gases has a suction effect out.

Weiterhin ist die Form des Brennraums, die ja in erster Linie nach anderen Gesichtspunkten gestaltet sein muß, alles andere als optimal bezüglich der Erzielung einer hohen Saug­ wirkung.Furthermore, the shape of the combustion chamber is the first one Line must be designed according to other criteria, everything other than optimal in terms of achieving high suction effect.

Die zu lösende AufgabeThe task to be solved

Die Aufgabenstellung, die zu der vorliegenden Erfindung führte, liegt darin,The task related to the present invention led is

  • 1. die gesamte und nicht nur einen kleinen Teil der Abgas­ energie für die Erhöhung des Füllungsgrades zu nutzen;1. the entire and not just a small part of the exhaust gas use energy to increase the degree of filling;
  • 2. bei Viertakt-Motoren die Saugwirkung in einer dafür optimierten technischen Vorrichtung (der erfindungs­ gemäßen Abgas-Strahlpumpe) und nicht im dafür wenig geeigneten Brennraum mit seinem schlechten Saugwirkungsrad zu erzeugen;2. With four-stroke engines, the suction effect in one optimized technical device (the fiction according to exhaust gas jet pump) and not in little for it suitable combustion chamber with its poor suction wheel to create;
  • 3. bei Viertakt-Motoren die Ventilüberschneidung auf einen fast verschwindenden Rest zu reduzieren, um insbesondere bei Hochleistungs- und Rennmotoren Drehmoment und Leistung im unteren und mittleren Drehzahlbereich und damit die Elastizität noch einmal zusätzlich zum Auf­ ladungseffekt stark zu erhöhen und dabei einen Effekt wie durch eine variable Ventilsteuerung zu erzielen;3. With four-stroke engines, the valve overlap to one to reduce almost vanishing rest, in particular torque for high-performance and racing engines and performance in the lower and middle speed range and thus the elasticity in addition to the opening to greatly increase the charge effect and thereby have an effect like to achieve by a variable valve control;
  • 4. um eine Frischgasbeschleunigung mittels Abgasenergie ohne Lader auch bei solchen Motorarten wie Zweitakt- oder Rotationskolbenmotoren möglich zu machen, bei denen dies bisher nicht möglich erschien.4. by fresh gas acceleration by means of exhaust gas energy without charger even with such types of engine as two-stroke or to make rotary piston motors possible at to whom this previously seemed impossible.
Die LösungThe solution

Die erfindungsgemäße Lösung der beschriebenen Aufgabe wird auf folgende Weise herbeigeführt: Bei Viertaktsaugmotoren ist es üblich, die kinetische Energie der Abgase durch "Ventil-Überschneidung" für die Erhöhung des Füllungsgrades zu nutzen. Bei anderen Motorarten, wie Zweitakt-, Wankel­ motoren etc., erschien dies bisher überhaupt nicht möglich. Im kennzeichnenden Unterschied dazu wird erfindungsgemäß die kinetische Energie der Abgase schon sofort vom Öffnen der Auslaßventile an und auch bei geschlossenen Einlaßventilen genutzt. Die Saugdauer ist länger und die Saugkraft ist erheblich höher als bei konventionellen Saugmotoren.The inventive solution to the problem described is brought about in the following way: For four-stroke naturally aspirated engines it is common to use the kinetic energy of the exhaust gases "Valve overlap" for increasing the degree of filling to use. With other types of engine, such as two-stroke, Wankel motors etc., this did not seem possible at all. The distinctive difference to this is according to the invention the kinetic energy of the exhaust gases immediately from opening the exhaust valves on and also when the intake valves are closed used. The suction time is longer and the suction power is considerably higher than with conventional naturally aspirated engines.

Die Erfindung sieht zu diesem Zweck einen Bypass-Kanal BK vor, der den Einlaßkanal EK und den Auslaßkanal AK jedes Zylinders vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Ein- und Auslaßventile Ei und Aj überbrückt und am Brennraum vorbei kurzschließt. Die Verbindung des Bypass-Kanals mit dem Auslaßkanal ist als Abgas-Strahlpumpe ASP ausgebildet. Die aus einem Zylinder mit hoher Geschwindigkeit ausströmenden Abgase üben durch diese Abgas-Strahlpumpe ASP über den Bypass-Kanal BK eine sehr starke Saugwirkung auf den Einlaß­ kanal EK aus. Aus Erfahrungen, die bei Motoren mit Zwangs- Luftkühlung mittels Abgas-Strahlpumpe gewonnen wurden, ist bekannt, daß die Abgase über eine Abgas-Strahlpumpe eine Luftmenge ansaugen können, die bis zum 15fachen ihrer eigenen Masse beträgt. Durch diese große Saugwirkung wird die gesamte Luftmenge im Einlaßkanal EK sehr stark vor­ beschleunigt. Beim Öffnen der Einlaßventile Ei wird synchron der Bypass-Kanal BK durch ein Bypass-Sperrventil S geschlossen, daß vorzugsweise unmittelbar am Anfang des Bypass- Kanals BK an seiner Verbindungsstelle mit dem Einlaßkanal EK positioniert ist. Die mit hoher Geschwindigkeit strömende Luftsäule im Einlaßkanal EK drückt nun mit ihrer gesamten kinetischen Energie über die geöffneten Einlaßventile Ei in den Zylinder. Dadurch wird ein hoher Aufladeeffekt erzielt. Dieser Effekt kann noch durch Vergrößerung der Querschnitte des Einlaß- und des Bypass-Kanals gesteigert werden.For this purpose, the invention provides a bypass duct BK which bridges the inlet duct EK and the outlet duct AK of each cylinder, preferably in the immediate vicinity of the inlet and outlet valves E i and A j , and short-circuits them past the combustion chamber. The connection of the bypass duct to the outlet duct is designed as an exhaust gas jet pump ASP. The exhaust gases flowing out of a cylinder at high speed exert a very strong suction effect on the inlet channel EK through this exhaust gas jet pump ASP via the bypass channel BK. From experience gained in engines with forced air cooling using an exhaust gas jet pump, it is known that the exhaust gases can suck in an amount of air up to 15 times their own mass via an exhaust gas jet pump. This large suction effect accelerates the entire air volume in the inlet duct EK very strongly. When the inlet valves E i open, the bypass channel BK is closed synchronously by a bypass blocking valve S, which is preferably positioned directly at the beginning of the bypass channel BK at its connection point with the inlet channel EK. The air column flowing at high speed in the intake duct EK now presses with its entire kinetic energy via the opened intake valves E i into the cylinder. This achieves a high charging effect. This effect can be increased by increasing the cross-sections of the inlet and bypass channels.

Große Ventilüberschneidungen sind nicht mehr nötig. Die Ventilüberschneidung kann auf einen fast verschwindenden Rest, der zur Spülung des Brennraums nötig ist, reduziert werden.Large valve overlaps are no longer necessary. The Valve overlap can be almost disappearing The rest, which is necessary to flush the combustion chamber, is reduced will.

Bei einem Viertaktmotor oder auch bei jedem anderen Motortyp mit geeigneter räumlicher Führung des Bypass- Kanals ergibt sich der positive Nebeneffekt einer Zwangs­ kühlung des Zylinderkopfs, so daß der Aufwand des Basis- Kühlsystems erheblich reduziert werden kann. With a four-stroke engine or with any other Motor type with suitable spatial guidance of the bypass Channel has the positive side effect of an obsession cooling of the cylinder head, so that the effort of the basic Cooling system can be significantly reduced.  

Erzielbare VorteileAchievable advantages

  • 1. Im gesamten Bereich von der Leerlauf- bis zur Maximal­ drehzahl wird eine starke Erhöhung des Füllungsgrades, also ein starker Aufladeeffekt erreicht, obwohl der Motor ein reiner Saugmotor ist. Die Erfindung bewirkt dadurch eine beträchtliche Drehmoment- und Leistungserhöhung über das gesamte verfügbare Drehzahlspektrum. Maximales Drehmoment und Maximalleistung sind beträchtlich höher.1. In the entire range from idle to maximum speed will greatly increase the degree of filling, So a strong charging effect is achieved even though the engine is a pure naturally aspirated engine. The invention thereby accomplishes a considerable increase in torque and power across the entire available speed range. Maximum Torque and maximum power are considerable higher.
  • 2. Das sogenannte instationäre Verhalten des Motors ist allen anderen Verfahren zur Erhöhung des Füllungsgrades, auch mechanischen Kompressoren, überlegen. Auch auf sehr schnelle Änderungen des Lastzustandes reagiert der Motor besonders spontan. Einen dem "Turbuloch" vergleichbaren Effekt gibt es nicht.2. The so-called transient behavior of the engine is all other methods of increasing the degree of filling, also consider mechanical compressors. Even on very fast changes in the load condition the engine reacts particularly spontaneously. One that There is no "turbuloch" comparable effect.
  • 3. Der zusätzliche Raumbedarf einer erfindungsgemäßen Konstruktion und die Gewichtserhöhung sind verschwindend gering. Die Leistungsdichte (kw/m² oder PS/m²) und das Leistungsgewicht (kw/kg oder PS/kg) des Motors sind extrem günstig.3. The additional space requirement of an inventive Construction and the increase in weight are vanishing low. The power density (kw / m² or PS / m²) and the power-to-weight ratio (kw / kg or PS / kg) of the engine are extremely cheap.
  • 4. Der notwendige Entwicklungsaufwand ist sehr gering und bezieht sich beispielsweise bei einem Viertaktmotor nur auf den Zylinderkopf. Er ist vergleichbar mit dem Aufwand, der beim Übergang von einem Vierventil- zu einem Fünfventil-Zylinderkopf notwendig ist.4. The necessary development effort is very low and only applies to a four-stroke engine, for example on the cylinder head. It is comparable to the effort the transition from a four-valve to one Five-valve cylinder head is necessary.
  • 5. Die Erfindung macht es erstmals möglich, auch bei solchen Arten von getaktet arbeitenden Verbrennungs­ motoren mit innerer Verbrennung, die keine aktiv gesteuerten Ventile haben, die kinetische Energie der Abgase zur Beschleunigung der Ansaugluft heranzuziehen.5. The invention makes it possible for the first time, also at such types of clocked combustion internal combustion engines that are not active controlled valves have the kinetic energy of the Use exhaust gases to accelerate the intake air.
  • 6. Ein besonders wichtiger Vorteil der Erfindung bei Anwendung auf Viertaktmotoren liegt darin, daß die Überschneidung der Ventil-Steuerzeiten auch bei Hoch­ leistungs- und Rennmotoren auf einen verschwindenden Rest zurückgenommen werden kann. Die schweren Nachteile großer Ventil-Überschneidungen im unteren und mittleren Drehzahlbereich entfallen ganz. Die Erfin­ dung hat also als Zusatzeffekt eine gleiche Wirkung wie vollvariable Ventilsteuerzeiten. Zusätzlich zu Vorteil 1. hat dies einen weiteren erheblichen Anstieg von Drehmoment und Leistung im unteren und mittleren Drehzahlbereich, d. h. einen großen Anstieg der Motor­ elastizität zur Folge.6. A particularly important advantage of the invention Application on four-stroke engines is that the Valve control times overlap even at high performance and racing engines on a vanishing Rest can be taken back. The heavy ones Disadvantages of large valve overlaps in the lower one and middle speed range are completely eliminated. The Erfin So as an additional effect, manure has the same effect as fully variable valve timing. In addition to advantage 1. has this is another significant increase from Torque and power in the lower and middle Speed range, d. H. a big increase in the engine elasticity.
  • 7. Da das Frischgas durch die Saugwirkung der Abgase vorbeschleunigt wird und nicht vom Kolben angesaugt werden muß, braucht der Kolben keine Pumparbeit leisten. So werden nicht nur Pumpverluste vermieden, sondern die mit großer Energie in den Zylinder strömenden Frischgase geben noch Leistung an den Kolben ab.7. Because the fresh gas due to the suction of the exhaust gases is accelerated and not sucked in by the piston the piston needs no pumping work Afford. Not only are pump losses avoided,  but the one with great energy in the cylinder flowing fresh gases still give power to the Piston off.
  • 8. Bei Viertakt-Motoren und bei allen anderen Motorarten mit geeignet angeordnetem Bypass-Kanal ergibt sich eine sehr effektive Zwangskühlung z. B. des thermisch hoch belasteten Zylinderkopfs. Dadurch kann das Basis- Kühlsystem erheblich kleiner ausgelegt werden. Primär­ kühlmittel (Wasser) wird gespart und damit Gewicht. Ferner kann die Leistung der Primärkühlmittel-Pumpe geringer ausgelegt werden. Dadurch steigt die Netto- Leistung des Motors. Weiterhin kann der Kühler entspre­ chend kleiner dimensioniert werden, was wiederum Gewicht und Kosten spart. Wegen des kleineren Kühlers und der viel geringeren Wärmeabfuhr über das Basis- Kühlsystem kann die innere Durchströmung eines Fahrzeuges kleiner ausgelegt werden: Der Luftwiderstand wird geringer.8. For four-stroke engines and for all other engine types with a suitably arranged bypass channel results a very effective forced cooling z. B. the thermal highly loaded cylinder head. This allows the basic Cooling system can be designed significantly smaller. Primary coolant (water) is saved and thus weight. Furthermore, the performance of the primary coolant pump be interpreted lower. This increases the net Motor performance. Furthermore, the cooler can correspond be dimensioned smaller, which in turn Saves weight and costs. Because of the smaller cooler and the much lower heat dissipation via the base Cooling system can flow through an interior Vehicle designed to be smaller: air resistance is becoming less.
  • 9. Ein erfindungsgemäßer Motor hat wegen der Nutzung der Abgasenergie einen höheren Gesamt-Wirkungsgrad und einen deutlich geringeren spezifischen Verbrauch als ein konventioneller Saugmotor, folglich sind auch der CO₂- Ausstoß und die Abgabe an Schadstoffen geringer.9. An engine according to the invention has because of the use of Exhaust gas energy has a higher overall efficiency and a significantly lower specific consumption than a conventional naturally aspirated engine, consequently the CO₂ Emissions and emission of pollutants are lower.
Erläuterungen zu den Abbildungen, die zur Verdeutlichung des Prinzips als Pictogramme ausgelegt sindExplanations of the illustrations, the to illustrate the principle are designed as pictograms

Bild 1 entspricht einer Ausführungsform der Erfindung nach Untermerkmal 1.8.1 des Anspruchs 1.Figure 1 corresponds to an embodiment of the Invention according to sub-feature 1.8.1 of claim 1.

Z = Elementareinheit des Motors, z. B. Zylinder, Scheibe eines Drehkolbenmotors etc.
AK₁ = 1. Abschnitt des Auslaßkanals AK nach Merkmal 1.8.1.
AK₂ = 2. Abschnitt des Auslaßkanals AK nach Merkmal 1.8.1.
AK = AK₁+AK₂ = Auslaßkanal
BK = Bypass-Kanal
Ei = Einlaßventil(e) (i=1, 2, . . .)
Aj = Auslaßventil(e) (j=1, 2, . . .)
S = Bypass-Sperrventil
ASP = Abgas-StrahlpumpeZ = elementary unit of the engine, e.g. B. cylinder, disc of a rotary engine etc.
AK₁ = 1st section of the outlet channel AK according to feature 1.8.1.
AK₂ = 2nd section of the outlet channel AK according to feature 1.8.1.
AK = AK₁ + AK₂ = outlet duct
BK = bypass channel
E i = inlet valve (e) (i = 1, 2,...)
A j = exhaust valve (e) (j = 1, 2,...)
S = bypass shut-off valve
ASP = exhaust jet pump

Phase 1Phase 1

Auslaßventile Aj offen; Bypass-Sperrventil S offen; das aus dem 1. Abschnitt AK₁ des Abgaskanals AK mit hoher Geschwindigkeit austretende Abgas saugt über die Abgas- Strahlpumpe ASP Luft über den Bypass-Kanal BK aus dem Einlaßkanal EK an (siehe Pfeile). Diese wird stark vorbeschleunigt.Exhaust valves A j open; Bypass shut-off valve S open; the exhaust gas exiting from the 1st section AK 1 of the exhaust duct AK at high speed sucks air through the exhaust jet pump ASP via the bypass duct BK from the inlet duct EK (see arrows). This is strongly accelerated.

Phase 2Phase 2

Nur kurzdauernde Ventilüberschneidung: Einlaß­ ventile Ei offen, Auslaßventile Aj offen; Bypass- Sperrventil S geschlossen; der Brennraum wird gespült.Short valve overlap only: inlet valves E i open, outlet valves A j open; Bypass shut-off valve S closed; the combustion chamber is flushed.

Phase 3Phase 3

Auslaßventile Aj geschlossen; Einlaßventile Ei offen; Bypass-Sperrventil S geschlossen; die durch die in Phase 1 auf hohe Geschwindigkeit gebrachte Luft drängt durch ihre Massenträgheit in den Brennraum; ein hoher Aufladungseffekt wird erreicht.Exhaust valves A j closed; Intake valves E i open; Bypass shut-off valve S closed; the air brought up to high speed in phase 1 pushes into the combustion chamber due to its inertia; a high charging effect is achieved.

Phase 4Phase 4

Alle Venteile geschlossen; Verdichtungs- und Arbeitstakt.All valves closed; Compaction and Work cycle.

Claims (6)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung des Füllungsgrades von Saugmotoren.1. Method and device for increasing the Degree of filling of naturally aspirated engines. Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der Frischgasfüllung beim Ansaug- oder Ladetakt eines getaktet arbeitenden Verbrennungsmotors mit innerer Verbrennung ohne Verwendung eines Laders oder Kompressors. Ein erfindungsgemäßer Motor bleibt ein Saugmotor. Die Erfindung ist anwendbar auf Motoren, die nach dem Viertakt- oder dem Zweitaktprinzip arbeiten und auf solche, die nach dem Otto- oder dem Dieselverfahren arbeiten. Sie ist anwendbar auf Hub­ kolben - wie auch auf jede Art von Rotationskolben - oder sonstige getaktet arbeitende Motoren mit innerer Verbrennung.The invention relates to a method and a device for increasing the fresh gas filling at the intake or charging cycle of a cyclically working Internal combustion engine without using a charger or compressor. An engine according to the invention remains a naturally aspirated engine. The invention is applicable to motors according to work on the four-stroke or two-stroke principle and to those that after the Otto or the Diesel processes work. It is applicable to hub pistons - as on any type of rotary piston - or other clocked motors with internal Combustion. Die Erfindung ist durch die folgende Merkmalliste mit den Positionen 1.0. bis 1.12. gekennzeichnet, wobei Merkmal 1.0. das zugrunde liegende Verfahren kennzeichnet, und die Merkmale 1.1. bis 1.12. dessen technische Realisierungen kennzeichnen:
  • 1.0. Das Verfahren zur Erhöhung des Füllungsgrades von Saugmotoren ist dadurch gekennzeichnet, daß die kinetische Energie der Abgase zur Erzielung eines Saugeffektes voll ausgenutzt wird. Im kennzeichnenden Unterschied zum üblichen Verfahren der "Ventilzeiten-Überschneidung" wird erfindungsgemäß die kinetische Energie der Abgase schon vom Öffnen der Auslaßventile ab und auch bei geschlos­ senen Einlaßventilen genutzt. Um dies zu erreichen, sieht das Verfahren einen Bypass-Kanal vor, der den Einlaß- und den Auslaßkanal jedes Zylinders in unmittelbarer Nähe der Ein- und Auslaßventile überbrückt. Die aus einem Zylinder ausströmenden Abgase erzeugen durch einen Venturi-Effekt über den Bypass-Kanal eine sehr starke Saugwirkung auf den Einlaßkanal. Dadurch wird eine große, durch die Länge des Einlaßkanals definierte Luftmenge vor­ beschleunigt. Beim Öffnen der Einlaßventile wird synchron der Bypass-Kanal durch ein Bypass- Sperrventil geschlossen. Die mit hoher Geschwin­ digkeit strömende Luftsäule im Einlaßkanal drückt nun mit ihrer gesamten kinetischen Energie über das geöffnete Einlaßventil in den Zylinder. Dadurch wird ein hoher Aufladeeffekt erzielt.
  • Ein weiteres erfindungstypisches Merkmal des Verfahrens in seiner Anwendung auf Viertakt-Hub­ getaktet arbeitenden Kolbenmotoren ist die extrem geringe Ventilzeiten-Überschneidung auch bei Hoch­ leistungs- und Rennmotoren.
  • 1.1. Der zu dem oder den Einlaßventilen Ei (mit i=1, 2, . . .) eines Zylinders führende Frischgaskanal (Saugrohr) EK einerseits und der von dem oder den Auslaßventilen Aj (mit j=1, 2, . . .) dieses Zylinders wegführende Abgaskanal AK andererseits werden durch einen Kurzschluß- oder Bypass-Kanal BK außerhalb des Brennraums miteinander verbunden.
  • 1.2. Der Bypass-Kanal BK ist in seiner Formgebung auf geringsten Durchströmungs-Widerstand optimiert. Er verläuft bei einem Viertaktmotor vorzugsweise unmittelbar entlang der Außenseite der Brennraumwand. Die Formgebung des Bypass-Kanals BK berücksichtigt ferner die Kühlungsaufgaben der durchströmenden Luft und ist so ausgelegt, daß vor allem die Zündkerze oder die Zündkerzen sowie die Auslaßventile Aj möglichst wirkungsvoll von der durchströmenden Luft gekühlt werden.
  • 1.3. Der Bypass-Kanal BK hat vorzugsweise an keiner Stelle einen kleineren Querschnitt als der kleinste Querschnitt im gesamten Frischgaskanal EK bei Vollast.
  • 1.4. Die Verbindung des Bypass-Kanals BK mit dem Frischgaskanal EK liegt vorzugsweise so nahe wie möglich am oder an den Einlaßventilen Ei. Die Ver­ bindung des Bypass-Kanals BK mit dem Abgaskanal AK liegt vorzugsweise so nahe wie möglich am oder an den Auslaßventilen Aj.
  • 1.5. Die Verbindung des Bypass-Kanals BK mit dem Frischgaskanal EK kann durch ein dort positioniertes Bypass-Sperrventil S geöffnet und geschlossen werden. Das Ventil S liegt vorzugsweise unmittelbar an der Grenzstelle von EK und BK und ist weiterhin vorzugsweise als Schieberventil ausgebildet.
  • 1.6. Die Steuerung der Öffnungs- und Schließbewegungen des Bypass-Sperrventils S sind erfindungsgemäß mit den Bewegungen der Einlaßventile Ei und der Auslaßventile Aj auf folgende Weise koordiniert:
  • Das Bypass-Sperrventil S ist immer dann geschlossen, wenn die Einlaßventile Ei geöffnet sind. Das Bypass-Sperrventil S ist nur dann geöffnet, wenn die Einlaßventile Ei geschlossen sind.
  • Diese Forderungen sind z. B. dann erfüllt, wenn sich beim Öffnen der Einlaßventile Ei das Bypass- Sperrventil S synchron schließt und wenn sich frühestens beim Schließen der Einlaßventile Ei oder spätestens zu einem vom Konstrukteur festzulegenden Zeitpunkt nach Öffnen der Auslaßventile Aj das Bypass-Sperrventil S öffnet.
  • 1.7. Im Falle eines Saugmotors, der nicht nach dem Vier­ taktprinzip arbeitet, also beispielsweise im Falle eines Zweitakt- oder Rotationskolben-Saugmotors etc., ist das Bypass-Sperrventil S vorzugsweise als Drehschieber-Ventil ausgebildet, das weiterhin vor­ zugsweise direkt von der Kurbelwelle angetrieben wird.
  • Im Falle eines Viertakt-Motors ist das Bypass- Sperrventil S vorzugsweise ein Flachschieber F, der in einer Führung auf und ab bewegt werden kann. In der Stellung "unten" des Flachschiebers F ist das Bypass-Sperrventil S geschlossen. In der Stellung "oben" des Flachschiebers F ist das Bypass-Sperrventil S offen. Am oberen Ende dieses Flachschiebers F ist ein Ventilschaft derart befestigt, daß dieser in der Ebene von F liegt. Dieser Schaft wird, wie der eines normalen Motorventils, durch eine auf der Nockenwelle angebrachte Kurvenscheibe oder einen Nocken SN abwärts bewegt und durch eine oder mehrere Federn, oder "desmodromisch" durch eine auf der Nockenwelle angebrachte weitere Kurvenscheibe aufwärts bewegt. Die Kurvenscheiben oder Nocken der Einlaßventile Ei, des Bypass-Sperrventils S sowie der Auslaßventile Aj sind in ihrer Form so ausgelegt, daß Merkmal 1.6. erfüllt wird.
  • 1.8. Die Verbindung des Bypass-Kanals BK mit dem Ab­ gaskanal AK ist erfindungsgemäß als Abgas-Strahlpumpe ASP ausgebildet und derart gestaltet, daß die durch AK strömenden Abgase eine möglichst starke Saugwirkung auf BK ausüben und so Luft über EK-BK ansaugen. Eine mögliche Gestaltung kann z. B. eine der beiden folgenden Alternativen 1.8.1. und 1.8.2. sein:
    • 1.8.1. Der Abgaskanal AK hat zwei aufeinanderfolgende Abschnitte AK₁ und AK₂ mit AK = AK₁+AK₂. Der Bypass-Kanal BK geht fließend in den 2. Abschnitt AK₂ von AK über. Der 1. Abschnitt AK₁ von AK ragt an der Übergangsstelle als saugender Teil der Abgas-Strahlpumpe ASP in den Übergang "BK-AK₂" hinein.
    • 1.8.2. Der Abgaskanal AK ist ungeteilt. Der Bypass- Kanal BK ragt als abzusaugender Teil der Abgas- Strahlpumpe ASP in den Abgaskanal AK hinein.
  • 1.9. Der Abgaskanal AK hat in seinem gesamten Verlauf beginnend bei den Auslaßventilen an keiner Stelle eine Querschnittsverengung, insbesondere auch nicht im Falle der Alternative 1.8.1.
  • Der Bypass-Kanal BK hat auch im Falle der Alternative 1.8.2. an keiner Stelle eine Querschnitts­ verengung, auch nicht an seinem in den Abgaskanal AK hineinragenden Endstück.
  • Die Endquerschnittsfläche EQA von Ak₁ im Fall der Alternative 1.8.1. und die Endquerschnittsfläche EQB von BK im Fall der Alternative 1.8.2. können kreisförmig sein. Vorzugsweise haben sie aber Formen hin zur Flächenform eines Kreisringsektors von über 270° mit abgerundeten Enden.
  • 1.10. Der Abgaskanal AK hat ab der Stelle, wo er mit dem Bypass-Kanal BK verbunden ist, einen größeren Querschnitt als in seinem Verlauf bis zu dieser Stelle. Dieser größere Querschnitt ist dem Volumen des Abgases plus dem Volumen der über BK angesaugten Luft angepaßt.
  • 1.11. Zur Erzielung eines bei jeder Drehzahl optimalen Füllungsgrades sollte die Länge des Einlaßkanals EK vorzugsweise entsprechend einem der bekannten Verfahren nach Stand der Technik variabel und möglichst stufenlos variabel sein.
  • Eine Erhöhung des Füllungsgrades kann erfindungsgemäß zusätzlich durch die Vergrößerung der Querschnitte des Einlaßkanals EK und des Bypass-Kanals BK erzielt werden.
  • 1.12. Bei Viertaktmotoren sind erfindungsgemäß die Hochleistungs- und Renn-Motoren vorzugsweise so ausgelegt, daß extrem geringe "Ventilüberschneidungen" (Phasen, in denen Ein- und Auslaßventile gleichzeitig geöffnet sind) vorkommen.
The invention is through the following list of features with items 1.0. until 1.12. characterized, whereby feature 1.0. identifies the underlying process and features 1.1. until 1.12. characterize its technical realizations:
  • 1.0. The method for increasing the degree of filling of naturally aspirated engines is characterized in that the kinetic energy of the exhaust gases is fully utilized to achieve a suction effect. In the distinctive difference to the usual method of "valve timing overlap" according to the invention, the kinetic energy of the exhaust gases is used from the opening of the exhaust valves and even with closed intake valves. To achieve this, the method provides a bypass passage that bridges the intake and exhaust ports of each cylinder in close proximity to the intake and exhaust valves. The exhaust gases flowing out of a cylinder create a very strong suction effect on the inlet channel through a venturi effect via the bypass channel. This accelerates a large amount of air defined by the length of the inlet duct. When the inlet valves are opened, the bypass channel is closed synchronously by a bypass shut-off valve. The air column flowing at high speed in the intake port now presses with its entire kinetic energy via the open intake valve into the cylinder. This achieves a high charging effect.
  • Another characteristic of the method according to the invention in its application to piston engines operating on a four-stroke stroke is the extremely low valve timing overlap even in the case of high-performance and racing engines.
  • 1.1. The fresh gas duct (intake manifold) EK leading to the intake valve (s) E i (with i = 1, 2,...) On the one hand, and that of the exhaust valve (s) A j (with j = 1, 2,...) exhaust cylinder AK leading away from this cylinder, on the other hand, are connected to one another outside the combustion chamber by a short-circuit or bypass duct BK.
  • 1.2. The shape of the bypass channel BK is optimized for the lowest flow resistance. With a four-stroke engine, it preferably runs directly along the outside of the combustion chamber wall. The shape of the bypass channel BK also takes into account the cooling tasks of the air flowing through and is designed such that in particular the spark plug or the spark plugs and the exhaust valves A j are cooled as effectively as possible by the air flowing through.
  • 1.3. At no point does the bypass channel BK preferably have a smaller cross section than the smallest cross section in the entire fresh gas channel EK at full load.
  • 1.4. The connection of the bypass channel BK with the fresh gas channel EK is preferably as close as possible to or on the inlet valves E i . The connection of the bypass duct BK to the exhaust duct AK is preferably as close as possible to or on the exhaust valves A j .
  • 1.5. The connection of the bypass duct BK to the fresh gas duct EK can be opened and closed by a bypass shut-off valve S positioned there. The valve S is preferably located directly at the boundary between EK and BK and is further preferably designed as a slide valve.
  • 1.6. The control of the opening and closing movements of the bypass shut-off valve S are coordinated according to the invention with the movements of the inlet valves E i and the outlet valves A j in the following way:
  • The bypass check valve S is always closed when the inlet valves E i are open. The bypass shut-off valve S is only open when the inlet valves E i are closed.
  • These demands are e.g. B. met if the bypass shut-off valve S closes synchronously when opening the inlet valves E i and if the bypass shut-off valve S opens at the earliest when the inlet valves E i close or at the latest at a time to be determined by the designer after opening the outlet valves A j .
  • 1.7. In the case of a naturally aspirated engine that does not work according to the four-stroke principle, for example in the case of a two-stroke or rotary piston naturally aspirated engine, etc., the bypass shut-off valve S is preferably designed as a rotary slide valve, which is furthermore preferably driven directly by the crankshaft .
  • In the case of a four-stroke engine, the bypass shut-off valve S is preferably a flat slide valve F, which can be moved up and down in a guide. In the "down" position of the flat slide valve F, the bypass shut-off valve S is closed. In the "up" position of the flat slide valve F, the bypass shut-off valve S is open. At the upper end of this flat slide F, a valve stem is attached such that it lies in the plane of F. This stem, like that of a normal engine valve, is moved downwards by a cam disc or a cam SN mounted on the camshaft and is moved upwards by one or more springs, or "desmodromically" by a further cam disc mounted on the camshaft. The shape of the cams or cams of the inlet valves E i , the bypass shut-off valve S and the outlet valves A j are such that feature 1.6. is fulfilled.
  • 1.8. The connection of the bypass channel BK with the gas channel AK is designed according to the invention as an exhaust jet pump ASP and designed in such a way that the exhaust gases flowing through AK exert as strong a suction effect on BK and thus suck air through EK-BK. A possible design can e.g. B. one of the following two alternatives 1.8.1. and 1.8.2. be:
    • 1.8.1. The exhaust duct AK has two successive sections AK₁ and AK₂ with AK = AK₁ + AK₂. The bypass channel BK flows smoothly into the 2nd section AK₂ from AK. The 1st section AK₁ of AK protrudes at the transition point as a sucking part of the exhaust gas jet pump ASP into the transition "BK-AK₂".
    • 1.8.2. The exhaust duct AK is undivided. The bypass duct BK protrudes into the exhaust duct AK as part of the exhaust gas jet pump ASP to be extracted.
  • 1.9. The exhaust duct AK has no cross-sectional narrowing at any point in its entire course, starting with the exhaust valves, especially not in the case of alternative 1.8.1.
  • The bypass channel BK also has 1.8.2 in the case of alternative. at no point a cross-sectional constriction, not even at its end piece protruding into the exhaust gas duct AK.
  • The final cross-sectional area EQ A of Ak₁ in the case of alternative 1.8.1. and the final cross-sectional area EQ B of BK in the case of alternative 1.8.2. can be circular. However, they preferably have shapes towards the surface shape of a circular ring sector of over 270 ° with rounded ends.
  • 1.10. The exhaust duct AK has a larger cross section from the point where it is connected to the bypass duct BK than in its course up to this point. This larger cross-section is adapted to the volume of the exhaust gas plus the volume of the air drawn in via the BK.
  • 1.11. In order to achieve an optimum degree of filling at any speed, the length of the inlet channel EK should preferably be variable and, if possible, infinitely variable in accordance with one of the known methods according to the prior art.
  • According to the invention, an increase in the degree of filling can additionally be achieved by enlarging the cross sections of the inlet channel EK and the bypass channel BK.
  • 1.12. In the case of four-stroke engines, the high-performance and racing engines are preferably designed in such a way that extremely small "valve overlaps" (phases in which intake and exhaust valves are open at the same time) occur.
2. Besonders vorteilhafte Anwendungsform auf Viertakt- Vierventil-OHC-Motoren (i=j=2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Merk­ malliste 1.1. bis 1.11. des Anspruchs 1 die folgende Merkmalliste 2.1. bis 2.3. gilt:
  • 2.1. Der Bypass-Kanal BK verläuft im Zylinderkopf entlang der Außenseite der Brennraumwand zu beiden Seiten an der zentral sitzenden Zündkerze vorbei. Der Bypass-Kanal BK kann auch durch einen Mittelsteg, in dessen Verlauf die Zündkerze liegt, in zwei Teilkanäle längsgeteilt sein.
  • 2.2. Das Bypass-Sperrventil S ist zwischen den beiden Einlaßventilen E₁ und E₂ positioniert. Der Ventilschaft von S ist von der Nockenwelle aus nach unten verlaufend stärker zur Auslaßseite hin geneigt als die zueinander parallelen Ventilschäfte von E₁ und E₂. Dadurch ist der untere Rand des Schiebers des Bypass-Sperrventils S bezüglich E₁ und E₂ etwas versetzt nach innen in Richtung auf die Auslaßseite hin angeordnet.
  • 2.3. Die Anordnung der Steuernocken für die beiden Einlaßventile E₁ und E₂ sowie des Steuernockens SN für das Bypass-Sperrventil S auf der obenliegenden Nockenwelle ist identisch mit der Anordnung der drei Steuernocken für die drei Einlaßventile in einem Fünfventil-Zylinderkopf. Der mittlere der drei Nocken ist der Nocken SN für das Bypass-Sperrventil S. Die Form des Nockens SN ist so ausgelegt, daß die Anforderungen des Merkmals 1.6. des Anspruchs 1 erfüllt werden.
2. Particularly advantageous application form on four-stroke four-valve OHC engines (i = j = 2) according to claim 1, characterized in that in addition to the Merk malliste 1.1. until 1.11. of claim 1, the following list of features 2.1. until 2.3. applies:
  • 2.1. The bypass channel BK runs in the cylinder head along the outside of the combustion chamber wall on both sides past the centrally located spark plug. The bypass channel BK can also be longitudinally divided into two subchannels by a central web, in the course of which the spark plug is located.
  • 2.2. The bypass check valve S is positioned between the two inlet valves E₁ and E₂. The valve stem of S is inclined downwards from the camshaft to the outlet side more than the parallel valve stems of E 1 and E 2. As a result, the lower edge of the slide of the bypass shut-off valve S with respect to E₁ and E₂ is arranged somewhat offset inwards towards the outlet side.
  • 2.3. The arrangement of the control cams for the two intake valves E₁ and E₂ and the control cam SN for the bypass check valve S on the overhead camshaft is identical to the arrangement of the three control cams for the three intake valves in a five-valve cylinder head. The middle of the three cams is the cam SN for the bypass shut-off valve S. The shape of the cam SN is designed so that the requirements of feature 1.6. of claim 1 are met.
3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Merkmalliste 1.1. bis 1.12. des Anspruchs 1 das Merkmal 1.1. durch das folgende Merkmal 3.1. ersetzt wird:
  • 3.1. Der zu dem oder den Einlaßventilen Ei (mit i=1, 2, . . .) eines Zylinders führende Frischgaskanal (Saugrohr) EK einerseits und der von dem oder den Auslaßventilen Aj (mit j=1, 2, . . .) eines anderen Zylinders wegführende Abgaskanal AK andererseits werden durch einen Kurzschluß- oder Bypass-Kanal BK miteinander verbunden.
3. The method and device according to claim 1, characterized in that in the feature list 1.1. until 1.12. of claim 1, the feature 1.1. by the following feature 3.1. is replaced:
  • 3.1. The fresh gas channel (intake manifold) EK leading to the intake valve (s) E i (with i = 1, 2,...) On the one hand and that from the exhaust valve (s) A j (with j = 1, 2,...) another cylinder leading exhaust gas channel AK on the other hand are connected by a short-circuit or bypass channel BK.
4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Merkmalliste 1.1. bis 1.12. des Anspruchs 1 durch das folgende Merkmal 4.1. ergänzt wird:
  • 4.1. Neben dem Bypass-Kanal BK, der im folgenden synonym Bypass-Hauptkanal BK gennant wird, gibt es k Bypass-Nebenkanäle BKk (mit k=1, 2, . . .). Diese zweigen vom Bypass-Hauptkanal BK ab von Stellen, die in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Bypass- Sperrventil S liegen. Sie vereinigen sich wieder mit dem Bypass-Hauptkanal BK an Stellen, die in Strömungsrichtung gesehen vor der Abgas-Strahlpumpe ASP liegen. Die Bypass-Nebenkanäle BKk werden so geführt und strömungsdynamisch gestaltet, daß sie hauptsächlich zur Kühlung spezieller Bereiche des Zylinderkopfs, des Zylinders oder anderer Motorpartien dienen. Je nach Anwendungsfall kann die Wasserkühlung durch eine erweiterte Ölkühlung ersetzt werden oder ganz entfallen.
4. The method and device according to claim 1, characterized in that the feature list 1.1. until 1.12. of claim 1 by the following feature 4.1. is added:
  • 4.1. In addition to the bypass channel BK, which is referred to in the following as the synonymous bypass main channel BK, there are k bypass secondary channels BK k (with k = 1, 2,...). These branch off from the main bypass duct BK from points which, as seen in the direction of flow, lie behind the bypass shut-off valve S. They reunite with the bypass main duct BK at points that are located in front of the exhaust gas jet pump ASP when viewed in the direction of flow. The bypass bypass channels BK k are designed and designed to be dynamic in terms of flow in such a way that they mainly serve to cool special areas of the cylinder head, the cylinder or other engine parts. Depending on the application, the water cooling system can be replaced by an extended oil cooling system or can be omitted entirely.
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WO1994004802A1 (en) * 1991-02-18 1994-03-03 Hansbernd Berzheim Device for increasing the filling ratio of aspirating engines

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