Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung der Frischgasfüllung beim Ansaug- oder Ladetakt eines getaktet arbeitenden Verbrennungsmotors mit innerer Verbrennung ohne Verwendung eines Laders oder Kompressors. Die Erfindung ist anwendbar auf Motoren, die nach dem Viertakt- oder Zweitaktprinzip arbeiten und auf solche, die nach dem Otto- oder Dieselverfahren arbeiten. Sie ist anwendbar auf Hubkolben- wie auch auf jede Art von Rotationskolben- oder sonstigen getaktet arbeitenden Motoren mit innerer Verbrennung.

Drehmoment und Leistung eines getaktet arbeitenden Motors mit innerer Verbrennung hängen unter anderem wesentlich vom sogenannten "Füllungs- grad" seines Arbeitsraumes ab. Wenn keine konstruktiven Vorkehrungen getroffen werden, nimmt bei steigender Drehzahl der Füllungsgrad des Arbeitsraumes wegen der Massenträgheit der angesaugten Luft und der immer kürzer werdenden Ansaugzeit mehr und mehr ab und damit sinken das Drehmoment und die Leistung des Motors.

Um dies zu verhindern, werden bei Motoren mit aktiv gesteuerten Ventilen, beispielsweise bei Viertakt-Hubkolbenmotoren, die Steuer- zeiten der Ein- und Auslaßventile so abgestimmt, daß die Einlaßventile

schon öffnen, wenn die Auslaßventile noch nicht geschlossen sind. Dies wird als "Ventilüberschneidung" bezeichnet. Diese Überschneidung bewirkt, daß die ausströmenden Abgase eine Saugwirkung auf die Luft im Ansaugkanal ausüben. Dadurch wurd 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 Ventilüberschneidüngen bei hohen Drehzahlen Füllungsgrade von weit über 1 erreicht werden.

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.

Bei einem gegebenen Motor gibt es zu jeder gewählten Drehzahl eine optimale Ventilüberschneidüng. Erhöht man die VentilÜberschneidung über diesen Wert hinaus, so verschlechtert sich der Füllungsgrad bei der gewählten Drehzahl wieder. Je höher die gewählte Drehzahl ist, desto größer ist die optimale VentilÜberschneidung. Sehr starke Ventilüber¬ schneidungen, wie man sie für Hochleistungs- und Rennmotoren wählen muß, bewirken einen hohen Füllungsgrad bei einer hohen Drehzahl. Sie haben aber schlechte Füllungsgrade und damit ein niedriges Drehmoment sowie eine kleine Leistung sowie einen hohen spezifischen Verbrauch und einen großen Schadstoff- und C0„-Ausstoß im mittleren und unteren

Drehzahlbereich zur Folge.

Prinzipiell kann mit dem Verfahren der Ventilüberschneidüng 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 nichts 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.

Weiterhin ist die Form des Brennraumes, die ja in erster Linie nach anderen Gesichtspunkten gestaltet sein muß, alles andere als optimal bezüglich der Erzielung einer hohen Saugwirkung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abgasenergie für die Erhöhung des Füllungsgrades außerhalb des dafür wenig geeigneten Brennraumes mit seinem schlechten Saugwirkungsgrad zu nutzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die gesamte und nicht nur ein kleiner Teil der Abgasenergie für die Erhöhung des Füllungsgrades genutzt. Die Saugwirkung wird dabei in einer dafür optimierten technischen Vorrichtung und nicht im dafür wenig geeigneten Brennraum mit seinem schlechten Saugwirkungsgrad erzeugt. Bei Viertakt-Motoren gelingt es dabei, die Ventilüberschneidüng auf einen fast verschwin¬ denden Rest zu reduzieren, so daß insbesondere bei Hochleistungs- und Rennmotoren Drehmoment und Leistung im unteren und mittleren Drehzahlbereich und damit die Elastizität noch einmal zusätzlich zum Aufladungseffekt stark erhöht und dabei ein Effekt wie durch eine variable Ventilsteuerung erzielt werden kann. Auch ist es möglich, eine Frischgasbeschleunigung mittels Abgasenergie ohne Lader bei solchen Motorarten, wie Zweitakt- oder Rotationskolbenmotoren, möglich zu machen, bei denen dies bisher nicht möglich erschien.

Erfindungsgemäß wird die kinetische Energie der Abgase 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.

Erfindungsgemäß wird ein Bypass-Kanal vorgesehen, der den Einlaßkanal und den Auslaßkanal desselben Brennraumes oder verschiedener Brennräume in unmittelbarer Nähe der Ein- und Auslaßöffnung (bei Brennkraftmaschi¬ nen mit Ventilen der Einlaß- und Auslaßventile) überbrückt, d. h. miteinander verbindet, und am Brennraum vorbei kurzschließt. Die Verbindung des Bypass-Kanales mit dem Auslaßkanal ist als

Abgasstrahlpumpe ausgebildet. Die aus dem Brennraum mit hoher Geschwindigkeit ausströmenden Abgase üben durch diese Abgasstrahlpumpe über den Bypass-Kanal eine sehr starke Saugwirkung auf den Einlaßkanal aus. Aus Erfahrungen, die bei Motoren mit Zwangsluftkühlung mittels Abgasstrahlpumpe gewonnen wurden, ist bekannt, daß die Abgase über eine Abgasstrahlpumpe eine Luftmenge ansaugen können, die bis zum 15-fachen ihrer eigenen Masse beträgt. Durch diese große Saugwirkung wird die gesamte Luftmenge im Einlaßkanal sehr stark vorbeschleunigt. Beim Öffnen der Einlaßöffnung bzw. des Einlaßventiles oder der Einlaßventile wird synchron der Bypass-Kanal durch ein Bypass-Sperrventil geschlossen, das vorzugsweise unmittelbar am Anfang des Bypass-Kanales an seiner Verbindungsstelle mit dem Einlaßkanal angeordnet ist. Die mit hoher Geschwindigkeit strömende Luftsäule im Einlaßkanal drückt nun mit ihrer gesamten kinetischen Energie über die geöffnete Einlaßöffnung (Einlaßventil) in den Zylinder. Dadurch wird ein hoher Auf1adeeffekt erzielt. Dieser Effekt kann noch durch Vergrößerung der Querschnitte des Einlaßkanales und des Bypass-Kanales gesteigert werden.

Große Ventilüberschneidüngen sind nicht mehr nötig. Die Ventilüber- schneidung kann auf einen fast verschwindenden Rest, der zur Spülung des

Brennraums benötigt wird, reduziert werden.

Bei einem Viertaktmotor oder auch bei jedem anderen Motortyp mit geeigneter räumlicher Führung des Bypass-Kanals ergibt sich der positive Nebeneffekt einer Zwangskühlung des Zylinderkopfs, so daß der Aufwand des Basis-KühlSystems erheblich reduziert werden kann.

Im gesamten Bereich von der Leerlauf- bis zur Maximaldrehzahl wird eine starke Erhöhung des Füllungsgrades, alsoein starker Auf1adeeffekt 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 maximale Leistung sind beträchtlich höher.

Das sogenannte instationäre Verhalten des Motors ist allen anderen Verfahren zur Erhöhung des Füllungsgrades, auch mechanischen Kompressoren, überlegen. Auch auf sehr schnelle Änderungen des Lastzu¬ standes reagiert der Motor besonders spontan. Einen dem "Turboloch" vergleichbaren Effekt gibt es nicht.

Der zusätzliche Raumbedarf einer erfindungsgemäßen Konstruktion und die Gewichtserhöhung sind relativ gering. Die Leistungsdichte und das Leistungsgewicht des Motors sind extrem günstig.

Der notwendige Entwicklungsaufwand ist sehr gering und bezieht sich beispielsweise bei einem Viertaktmotor nur auf den Zylinderkopf. Bei einer speziellen Ausführungsform kann die Vorrichtung auch im wesentlichen außerhalb des Zylinderkopfes angeordnet sein, was sich noch günstiger auswirkt.

Die Erfindung macht es erstmals möglich, auch bei solchen Arten von getaktet arbeitenden Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung, die keine aktiv gesteuerten Ventile haben, die kinetische Energie der Abgase zur Beschleunigung der Ansaugluft heranzuziehen.

Ein besonders wichtiger Vorteil der Erfindung bei Anwendung auf Viertaktmotoren liegt darin, daß die Überschneidung der Ventil-Steuer¬ zeiten auch bei Hochleistungs- und Rennmotoren auf einen verschwindenden Rest zurückgenommen werden kann. Die schweren Nachteile großer Ventil- Überschneidungen im unteren und mittleren Drehzahlbereich entfallen ganz. Die Erfindung hat also als Zusatzeffekt eine gleiche Wirkung wie vollvariable VentilSteuerzeiten. Dies hat einen weiteren erheblichen Anstieg von Drehmoment und Leistung im unteren und mittleren Drehzahl- bereich, d. h. einen großen Anstieg der Motorelastizität, zur Folge.

Da das Frischgas durch die Saugwirkung der Abgase vorbeschleunigt wird und nicht vom Kolben angesaugt werden muß, braucht der Kolben keine Pumparbeit zu leisten. So werden nicht nur Pumpverluste vermieden, sondern die mit großer Energie in den Zylinder strömenden Frischgase geben noch Leistung an den Kolben ab.

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. Primärkühlmittel (Wasser) wird gespart und damit Gewicht. Ferner kann die Leistung der Primärkühlmittel-Pumpe geringer ausgelegt werden. Dadurch steigt die Nettoleistung des Motors. Weiterhin kann der Kühler entsprechend 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.

Ein mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung versehener Motor hat wegen der Nutzung der Abgasenergie einen höheren Gesamtwirkungsgrad und einen deutlich geringeren spezifischen Verbrauch als ein konventioneller Saugmotor. Folglich sind auch der C0 _? -Ausstoß und die Abgabe an Schadstoffen geringer.

Diejenige Ausführungsform der Erfindung, bei der der Bypass-Kanal den Einlaßkanal und Auslaßkanal desselben Brennraumes miteinander verbindet, wird bevorzugt wegen ihrer konstruktiven Einfachheit.

Besonders gute Ergebnisse werden mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung erhalten, wenn der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventiles gegenüber herkömmlichen Motoren in Richtung auf spät verschoben wird. Die Größe der Verschiebung ist abhängig von dem jeweiligen Motortyp und muß ggf. von Motortyp zu Motortyp ermittelt werden. Jedenfalls erfolgt eine Verschiebung des Öffnungszeitpunktes, wobei das Öffnen verzögert bzw. erst dann erfolgt, wenn sich der Kolben im Verbrennungstakt weiter dem unteren Totpunkt genähert hat als dies bei vergleichbaren herkömmlichen Motoren der Fall ist. Beispielsweise wird eine Verschiebung bis auf 30° (Kurbel inkel ) vor dem unteren Totpunkt vorgenommen.

Durch eine derartige Verschiebung des Öffnungszeitpunktes des Auslaßventiles wird die durch die Abgase verursachte Druckwelle so lange aufrechterhalten, wie dies für ein optimales Ansaugen erforderlich ist. Das Maximum der Geschwindigkeit der Abgase wird hierdurch auf spät verschoben und die Abgasgeschwindigkeit wird erhöht, wodurch der

Frischgasansaugeffekt mit Unterstützung des Bypass-Kanales verbessert ^• wird.

Wie bereits erwähnt, ist vorzugsweise die Formgebung des Bypass-Kanales so vorgenommen, daß die Kühlungsaufgaben der durchströmenden Luft berücksichtigt werden, wobei vor allem die Zündkerze oder die Zündkerzen sowie die Auslaßventile möglichst wirkungsvoll von der durchströmenden Luft gekühlt werden.

Die Steuerung der Offnungs- und Schließbewegungen des Bypass-Sperrven¬ tils sind erfindungsgemäß mit den Bewegungen des oder der Einlaß- und des oder der Auslaßventile koordiniert. Das Bypass-Sperrventil ist immer dann geschlossen, wenn die Einlaßventile geöffnet sind. Das Bypass- Sperrventil ist nur dann geöffnet, wenn die Einlaßventile geschlossen sind. Beim Öffnen der Einlaßventile schließt somit das Sperrventil synchron. Frühestens beim Schließen der Einlaßventile oder spätestens zu einem vom Konstrukteur festzulegenden Zeitpunkt nach dem Öffnen der Auslaßventile öffnet das Sperrventil. In bezug auf das oder die Auslaßventile sollte das Sperrventil spätestens dann öffnen, wenn das oder die Auslaßventile öffnen.

Im Falle eines Saugmotors, der nicht nach dem Viertaktprinzip arbeitet, alsobeispielsweise im Falle eines Zweitakt- oder Rotationskolben-Saug¬ motors etc., ist das Sperrventil vorzugsweise als Drehschieber- entil ausgebildet, das vorzugsweise direkt von der Kurbelwelle angetrieben wird.

Im Falle eines Viertakt-Motors ist das Bypass-Sperrventil vorzugsweise ein Flachschieber, der in einer Führung auf- und abbewegt werden kann. In der unteren Stellung des Flachschiebers ist das Sperrventil

geschlossen. In der oberen Stellung des Flachschiebers ist es geöffnet. Am oberen Ende dieses Flachschiebers ist ein Ventilschaft derart befestigt, daß dieser in der Ebene des Schiebers liegt. Dieser Schaft wird vorzugsweise, wie der eines normalen Motorventils, durch eine auf der Nockenwelle angebrachte Kurvenscheibe oder einen Nocken 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, des Sperr¬ ventils sowie der Auslaßventile sind in ihrer Form so ausgelegt, daß die vorstehend beschriebene Steuerung des Sperrventils durchgeführt werden kann.

Um eine optimale Wirkung der Abgasstrahlpumpe zu erreichen, kann die Endquerschnittsflache des ersten Kanalabschnitts des Auslaßkanales oder die Endquerschnittsflache des Bypass-Kanales, je nachdem, welche der beiden Alternativen für die Ausbildung der Abgasstrahlpumpe zur Anwendung gelangt, kreisförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise haben silT aber Formen mit einem größeren Verhältnis Umfang/Fl che bis hin zur Fl chenform eines Kreisringsektors von über 270° mit abgerundeten Enden.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der mehrere Bypass- Nebenkanäle vorgesehen sind, werden diese so geführt und strömungs¬ dynami sch gestaltet, daß sie hauptsächl ich zur Kühl ung speziel ler Bereiche des Zyl inderkopfs, des Zyl i nders oder von anderen Motorpartien dienen.

Bei Motoren, bei denen Einlaß- und Auslaßventil auf der gleichen Zylinderseite liegt, ist die Vorrichtung bzw. der Bypass-Kanal vorzugsweise außerhalb des Zylinderkopfes angeordnet, so daß der Zylinderkopf nicht umgestaltet werden muß.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch einen mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung ausgestatteten Brennraum in vier Phasen.

Die Figur zeigt einen Brennraum 1 eines Zylinders eines Motors, wobei dieser Zylinder mit einem Einlaßventil 6 und einem Auslaßventil 7 versehen ist. Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf eine derartige Ausführungsform beschränkt ist und auch andere Motoren Verwendung finden können. Der hier gezeigte Zylinder kann auch mit mehreren Einlaß- und mehreren Auslaßventilen versehen sein. Zwischen dem zum Brennraum 1 führenden Einlaßkanal 2 und dem vom Brennraum 1 wegführenden Auslaßkanal 3 ist ein diese verbindender Bypass-Kanal 4 angeordnet. Der Bypass-Kanal ist in unmittelbarer Nähe der entsprechenden Zylindereinlaß- und auslaßöffnung angeordnet. An der Grenzstelle zwischen dem Einlaßkanal 2 und dem Bypass-Kanal 4 befindet sich ein Sperrventil für den Bypass-Kanal, das in Abhängigkeit vom Einlaßventil 6 und Auslaßventil 7 auf- und zugesteuert wird. Die Verbindungsstelle zwischen dem Bypass-Kanal 4 und dem Auslaßkanal 3 ist als Abgasstrahlpumpe (schematisch bei 10 dargestellt) ausgebildet. Hierzu besitzt der Auslaßkanal einen ersten Abschnitt 8 und einen zweiten breiteren Abschnitt 9. Der erste Abschnitt 8 ragt an der Übergangsstelle zwischen beiden Abschnitten als saugender Teil der Abgasstrahlpumpe in den Übergang Bypass-Kanal 4-zweiter Abschnitt des Auslaßkanales 9 hinein. Der Bypass-Kanal 4 geht fließend in den zweiten Abschnitt 9 des Auslaßkanales über. Die Figur zeigt den mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung versehenen Brennraum in vier Phasen. In Phase 1 ist das Auslaßventil 7 offen und das Einlaßventil 6 geschlossen. Das Bypass-Sperrventil 5 ist ebenfalls offen. Das aus dem ersten

Abschnitt 8 des Auslaßkanales 3 mit hoher Geschwindigkeit austretende Abgas saugt über die Abgasstrahlpumpe 10 Luft über den Bypass-Kanal 4 aus dem Einlaßkanal 2 an (siehe die dargestellten Pfeile). Diese Luft wird stark vorbeschleunigt.

In der nachfolgenden Phase 2 findet nur eine kurze Ventilüberschneidüng statt. Das Einlaßventil 6 und das Auslaßventil 7 sind offen. Das Bypass-Sperrventil 5 ist geschlossen, und der Brennraum 1 wird gespült.

In der nachfolgenden Phase 3 ist das Auslaßventil 7 geschlossen und das Einlaßventil 6 offen. Das Bypass-Sperrventil 5 ist geschlossen. Die in Phase 1 auf hohe Geschwindigkeit gebrachte Luft drängt durch ihre Massenträgheit in den Brennraum 1. Es wird ein hoher Aufladungseffekt erreicht.

In der nachfolgenden Phase 4 sind alle Ventile geschlossen. Es findet der Verdichtungs- und Arbeitstakt statt.