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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere Betriebsphasen von Verbrennungsmotoren, in denen der Verbrennungsmotor ohne Einspritzung von Kraftstoff durch die Massenträgheit des damit betriebenen Kraftfahrzeugs in einem Schubbetrieb geschleppt wird. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen zur Reduzierung des Schleppmoments eines im Schubbetrieb betriebenen Verbrennungsmotors.
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Technischer Hintergrund
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Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen sind in der Regel über den Antriebsstrang unmittelbar mit den antreibenden Rädern verbunden. Im Verzögerungsfall wird der Verbrennungsmotor über den geschlossenen Antriebsstrang durch die Trägheit des Kraftfahrzeugs mitgeschleppt, wobei das Kraftfahrzeug durch ein von dem Verbrennungsmotor ausgeübtes Schleppmoment verzögert wird. Die Betriebsart des Verbrennungsmotors, bei der der Verbrennungsmotor ohne Einspritzung von Kraftstoff in die Zylinder geschleppt wird, wird Schubbetrieb genannt.
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Während des Schubbetriebs wird die Füllung des Verbrennungsmotors mit Frischluft möglichst gering vorgesehen bzw. so gewählt, dass beim Verlassen des Schubbetriebs möglichst schnell und komfortabel ein gewünschtes Antriebsmoment bereitgestellt werden kann. Zur Einstellung der Füllung wird in der Regel der dem Verbrennungsmotor zugeführte Luftmassenstrom über eine Stellung der Drosselklappe und/oder eine Ansteuerung des Einlassventils geregelt.
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Allgemein sind variable Ventiltriebe für das Einlass- und Auslassventil bekannt, die es ermöglichen, den Einlassventilhub und die Einlassventilspreizung sowie den Auslassventilhub und die Auslassventilspreizung variabel einzustellen.
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Aus der Druckschrift
DE 199 32 665 A1 ist ein Verfahren zum Steuern von Gaswechselventilen eines Verbrennungsmotors bei einer variablen Ventilsteuerung bekannt, wobei die Einlassventile im Schiebebetrieb variabel angesteuert werden. Auch die Druckschrift
WO 2006/037422 A1 beschreibt einen variablen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine.
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Das Schleppmoment des Verbrennungsmotors wird im Wesentlichen durch Reibungs- und Ladungswechselverluste bewirkt. Es kann jedoch insbesondere bei Hybridantriebssystemen gewünscht sein, das Schleppmoment des Verbrennungsmotors möglichst zu reduzieren, um im Schubbetrieb bei geschlossenem Antriebsstrang das über den Antriebsstrang bereitgestellte aus dem Trägheitsmoment resultierende Moment zur Rekuperation elektrischer Energie zu verwenden. In einem solchen Fall ist es wünschenswert, dass das Schleppmoment des nicht aktiven Verbrennungsmotors möglichst gering wird.
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Bislang kann im Schubbetrieb zwar die Drosselklappe im Wesentlichen geöffnet werden, jedoch sind weiterhin Verluste aufgrund der Durchströmung der Zylinder mit Frischluft, Ladungswechselverluste und Kompressionsverluste beim Mitschleppen des Verbrennungsmotors vorhanden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Reduzieren eines Schleppmoments im Schubbetrieb eines Verbrennungsmotors zur Verfügung zu stellen, wodurch insbesondere das Schleppmoment deutlich reduziert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung und ein Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer variablen Verstellung von Maximalhub und Spreizung des Ventilhubverlaufs mindestens eines Einlassventils und mindestens eines Auslassventils vorgesehen, wobei die Ventilhubverläufe des Einlassventils und des Auslassventils im Schubbetrieb des Verbrennungsmotors so eingestellt werden, dass keine Durchströmung des Zylinders mit Frischluft erfolgt.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, sicherzustellen, dass möglichst wenig Frischluft im Schubbetrieb durch den Zylinder des Verbrennungsmotors bewegt wird und gleichzeitig während eines Kompressionstaktes und eines Entspannungstaktes vorzusehen, dass die zum Verdichten der im Zylinder befindlichen Frischluft benötigte Kompressionsarbeit im Wesentlichen der Entspannungsarbeit in einem nachfolgenden Entspannungstakt entspricht, der im Verbrennungsbetrieb einem Verbrennungstakt entspricht. Dadurch können sowohl die Ladungswechselarbeit als auch die Strömungsverluste bzw. Kompressionsverluste reduziert werden.
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Weiterhin können die Ventilöffnungszeiten des Einlassventils und des Auslassventils symmetrisch um den oberen Totpunkt zwischen einem Ausstoßtakt und einem Ansaugtakt angeordnet sein. Das heißt, der Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils bezüglich des unteren Totpunkts der Kolbenbewegung in dem Zylinder vor dem Kompressionstakt und der Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils sind vorzugsweise symmetrisch bezüglich des unteren Totpunkts der Kolbenbewegung zwischen dem Verbrennungs-/Entspannungstakt und Ausstoßtakt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Steuerzeiten des maximalen Ventilhubs des Auslassventils zwischen 0°KW und –180°KW liegen, insbesondere bei 0°KW, –60°KW, –180°KW oder zwischen –130°KW und –170°KW, liegen und/oder die Zeiten des maximalen Ventilhubs des Einlassventils zwischen 0°KW und 180°KW liegen, insbesondere bei 0°KW, +60°KW, +180°KW oder zwischen +130°KW und +170°KW, liegen.
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Weiterhin können die maximalen Ventilhübe des Einlassventils und des Auslassventils identisch sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die während eines Kompressionstaktes zu leistende Kompressionsarbeit der während eines nachfolgenden Entspannungstaktes freiwerdenden Entspannungsarbeit entsprechen.
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Alternativ können die maximalen Ventilhübe des Einlassventils und des Auslassventils unterschiedlich sein, wobei der Maximalhub und der Schließzeitpunkt des Einlassventils während eines Ansaugtaktes und der Maximalhub und der Öffnungszeitpunkt des Auslassventils während eines Entspannungstaktes so gewählt sind, dass bei der bestehenden Füllung in dem Brennraum des Zylinders die benötigte Kompressionsarbeit der freiwerdenden Entspannungsarbeit entspricht.
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Weiterhin können die maximalen Ventilhübe des Einlassventils und des Auslassventils unterschiedlich sein, wobei die Ventilöffnungsdauern des Einlassventils und des Auslassventils sich überlappen und eine resultierende Gesamtöffnungsdauer einem Kurbelwellenwinkelbereich von zwischen 300°KW und 420°KW, insbesondere 360°KW (effektiv) entspricht.
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Es kann vorgesehen sein, dass nur das Einlassventil oder das Auslassventil geöffnet wird, während das jeweils andere Ventil über alle Arbeitstakte geschlossen bleibt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Zylinders eines Verbrennungsmotors;
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2 eine Veranschaulichung des Arbeitstaktes beim Betrieb des Verbrennungsmotors im Viertaktbetrieb, wobei die Zylinderhübe des Einlass- und Auslassventils für den herkömmlichen Betrieb eines Verbrennungsmotors dargestellt sind;
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3 eine schematische Darstellung der Ventilhübe und Spreizungen über die Kurbelwellenwinkel eines Zyklusses aus vier Arbeitstakten eines Verbrennungsmotors bei einer ersten Ventilansteuerung
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4 eine schematische Darstellung der Ventilhübe und Spreizungen über die Kurbelwellenwinkel eines Zyklusses aus vier Arbeitstakten eines Verbrennungsmotors bei einer weiteren Ventilansteuerung;
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5 eine schematische Darstellung der Ventilhübe und Spreizungen über die Kurbelwellenwinkel eines Zyklusses aus vier Arbeitstakten eines Verbrennungsmotors bei einer weiteren Ventilansteuerung;
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6 eine schematische Darstellung der Ventilhübe und Spreizungen über die Kurbelwellenwinkel eines Zyklusses aus vier Arbeitstakten eines Verbrennungsmotors bei einer weiteren Ventilansteuerung;
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7 eine schematische Darstellung der Ventilhübe und Spreizungen über die Kurbelwellenwinkel eines Zyklusses aus vier Arbeitstakten eines Verbrennungsmotors bei einer weiteren Ventilansteuerung;
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8 eine schematische Darstellung der Ventilhübe und Spreizungen über die Kurbelwellenwinkel eines Zyklusses aus vier Arbeitstakten eines Verbrennungsmotors bei einer weiteren Ventilansteuerung; und
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9 eine schematische Darstellung der Ventilhübe und Spreizungen über die Kurbelwellenwinkel eines Zyklusses aus vier Arbeitstakten eines Verbrennungsmotors bei einer weiteren Ventilansteuerung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt schematisch eine Querschnittsdarstellung durch einen Zylinder 2 eines Verbrennungsmotors 1. Der Verbrennungsmotor 1 kann eine beliebige Anzahl von in der Regel baugleichen Zylindern aufweisen, die jeweils in einem Viertaktbetrieb betrieben werden.
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Jeder der Zylinder 2 weist einen beweglichen Kolben 3 auf, der über eine Pleuelstange 4 mit einer Kurbelwelle 5 gekoppelt ist, so dass eine translatorische Bewegung des Kolbens 3 im Verbrennungsbetrieb in dem Zylinder 2 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 5 umgesetzt wird und eine Position des Kolbens 3 in dem Zylinder 2 einem Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 5 entspricht. Im Schubbetrieb, d.h. der Verbrennungsmotor 1 wird durch Anliegen eines äußeren Moments geschleppt, wird entsprechend eine Drehbewegung der Kurbelwelle 5 in eine translatorische Bewegung des Kolbens 3 in dem Zylinder 2 umgesetzt.
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Durch die Bewegung des Kolbens 3 wird ein Brennraum 6 im Zylinder 2 vergrößert und verkleinert.
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Der Verbrennungsmotor 1 wird im Verbrennungsbetrieb in einem Viertaktbetrieb mit vier Arbeitstakten betrieben, wobei ein Kompressionstakt KT, ein Verbrennungstakt VT, der in einem Schubbetrieb einem Entspannungstakt entspricht, ein Ausstoßtakt AT und ein Ansaugtakt ST in dieser Reihenfolge ausgeführt werden. Die Angabe des Kurbelwellenwinkels ist den Arbeitstakten so zugeordnet, dass 0°KW einem oberen Totpunkt der Kurbelwellenbewegung zwischen dem Austoßtakt AT und dem Ansaugtakt ST entspricht.
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Zur Zuführung von Frischluft ist ein Frischluftzuführungssystem 12 vorgesehen, das über mindestens ein Einlassventil 7 Frischluft dem Brennraum 6 des Zylinders 2 zuführen kann. Im Frischluftzuführungssystem 12 kann eine Drosselklappe 14 zur Steuerung des zugeführten Luftmassenstroms vorgesehen sein. Weiterhin ist zur Abfuhr von Verbrennungsabgasen ein Abgasabführungssystem 13 vorgesehen, das über mindestens ein Auslassventil 8 Verbrennungsabgase aus dem Brennraum 6 des Zylinders 2 ausstoßen kann.
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Der Kraftstoff kann direkt in den Brennraum 6 des Zylinders 2 mit Hilfe eines Einspritzventils 9 eingespritzt werden.
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Die Kurbelwelle 5 ist mit zwei (nicht gezeigten) Nockenwellen gekoppelt, die den Ventilhubverlauf des Einlassventils 7 und des Auslassventils 8 steuern. Durch eine Einlassventilverstellung 10 kann der Maximalhub des Ventilhubverlaufs des Einlassventils 7 und dessen Spreizung variiert werden. Entsprechend kann mit Hilfe einer Auslassventilverstellung 11 der Maximalhub des Ventilhubverlaufs des Auslassventils 8 und dessen Ventilspreizung verstellt werden. Die Spreizung eines Ventils entspricht der Zeitdauer zwischen einer maximalen Öffnung des betreffenden Ventils zu dem oberen Totpunkt OT der Kurbelwellenbewegung zwischen dem Austoßtakt AT und dem Ansaugtakt ST.
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In 2 ist ein Verlauf der Ventilhübe des Einlassventils und des Auslassventils 7, 8 über dem Kurbelwellenwinkel °KW der Kurbelwelle 5 bei einer herkömmlichen Ventilsteuerung dargestellt. Der Kurbelwellenwinkel für ein Arbeitsspiel entspricht 720° und reicht in dem dargestellten Diagramm von –360° bis +360°. Bezüglich der Arbeitstakte des Verbrennungsmotors 1 entspricht der Kurbelwellenwinkelbereich von –360° bis –180° einem Verbrennungstakt VT, der im Schubbetrieb einem Entspannungstakt entspricht. Der Kurbelwellenwinkelbereich von –180° bis 0°C entspricht einem Ausstoßtakt AT, bei dem im Verbrennungsbetrieb Verbrennungsabgase in den Abgastrakt ausgestoßen werden. Der Arbeitstakt zwischen dem Kurbelwellenwinkel 0° und 180° entspricht dem Ansaugtakt ST, in dem Frischluft aus dem Frischluftzuführungssystem 12 in dem Brennraum 6 des Zylinders 2 angesaugt wird, und ein nachfolgender Kompressionstakt KT dient zum Komprimieren der Gasfüllung in dem Brennraum 6 des Zylinders 2.
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Die Kurbelwellenwinkel –360° und 360° entsprechen der gleichen Stellung des Kolbens 3 an einem oberen Totpunkt OT der Kolbenbewegung zwischen einem Kompressionstakt KT und einem Verbrennungstakt / Entspannungstakt VT entsprechen. Ein weiterer oberer Totpunkt befindet sich bei 0° Kurbelwellenwinkel zwischen einem Ausstoßtakt AT und einem Ansaugtakt ST. Untere Totpunkte UT befinden sich bei –180° zwischen dem Verbrennungstakt / Entspannungstakt VT und dem Ausstoßtakt und 180° zwischen dem Ansaugtakt ST und dem Kompressionstakt KT.
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Im Schubbetrieb entfällt der Verbrennungstakt, da kein Kraftstoff eingespritzt und keine Zündung durchgeführt wird und es findet ein Entspannungstakt statt, bei dem die Gasfüllung in dem Zylinder 2 entspannt wird. Bei unverändertem Ventiltrieb des Einlassventils 7 und des Auslassventils 8 wird jedoch im Schubbetrieb eine Frischluft durch den Zylinder 2 gepumpt, wodurch bei in der Regel angestellter Drosselklappe Strömungsverluste im Zylinder 2 und im Luftzuführungssystem entstehen, die zu einem erheblichen Schleppmoment des Verbrennungsmotors 2 führen können.
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Um das Schleppmoment des Verbrennungsmotors 2 zu reduzieren, insbesondere, wenn die durch die Massenträgheit des Kraftfahrzeugs bereitgestellte Energie möglichst generatorisch in elektrische Energie umgewandelt werden soll, und Schleppverluste in dem Verbrennungsmotor 2 möglichst gering gehalten werden sollen, ist vorgesehen, durch eine geeignete Verstellung der Ventiltriebe die Strömungsverluste bzw. die Kompressionsverluste und die Ladungswechselverluste in den Zylindern 2 zu reduzieren.
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In 3 sind die Ventilhubverläufe des Einlass- und Auslassventils 7, 8 gezeigt, bei denen sich die Öffnungszeiträume des Einlass- und Auslassventils überschneiden. Die Ansteuerung des Einlass- und Auslassventils erfolgt mit voll geöffneter Drosselklappe 14 im Luftzuführungssystem 12, so dass die Strömungsverluste an der Drosselklappe 14 ebenfalls reduziert sind. Der Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils AÖ liegt vorzugsweise zwischen –330° und –180° KW, insbesondere bei –180°KW, und der Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils ES zwischen 180° und 330° KW, insbesondere bei 180° KW. Die Ventilerhebungskurven zeigen eine symmetrische Anordnung um den oberen Totpunkt OT bei 0° Kurbelwellenwinkel, wobei der Zeitpunkt des Öffnens des Einlassventils zwischen –30° KW und –90° KW und der Zeitpunkt des Schließens des Auslassventils zwischen 30° KW und 90° KW liegt. Das Schließen des Einlassventils bei ca. 180° kW und des Öffnens des Auslasswinkels bei ca. –180° KW führt dazu, dass für den Kompressionstakt KT und den Entspannungstakt VT die Kompressionsarbeit und die Entspannungsarbeit gleich sind, sich ausgleichen und somit nicht zu einem erhöhten Schleppmoment beitragen. Aufgrund der großen Öffnungsquerschnitte des Einlassventils und Auslassventils sind die Strömungsverluste bei gleichzeitig geöffneter Drosselklappe nahezu 0. Dadurch sind die Ladungswechselverluste gering und der Luftdurchsatz maximal.
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In 4 sind die Ventilerhebungskurven ebenfalls symmetrisch zum oberen Totpunkt OT bei 0° kW angeordnet, wobei der maximale Öffnungshub des Einlass- und Auslassventils 7, 8 jeweils an unteren Totpunkten UT bei 180° KW bzw. –180° KW vorgesehen sind. Die Öffnungszeitbereiche des Auslassventils 8 und des Einlassventils 7 überlappen sich dabei nicht, jedoch ist in jedem Arbeitstakt des Verbrennungsmotors 2 mindestens eines der Ventile 7, 8 für mindestens 70° bis 110° KW geöffnet, im dargestellten Verbrennungsmotor 1 sogar für mindestens 120° Kurbelwellenwinkel.
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5 zeigt eine ähnliche Ansteuerung der Einlassventile 7 und Auslassventile 8, wobei der maximale Hub zwischen –120 und –180° KW bzw. 120 und 180° kW liegt. Der Zeitpunkt AST des Schließens des Auslassventils 8 und der Zeitpunkt EÖT des Öffnens des Einlassventils 7 liegt dabei etwa um den oberen Totpunkt bei 0° KW, vorzugweise zwischen –30° KW und 30° KW.
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In der Ausführungsform der 6 werden das Einlassventil 7 und das Auslassventil 8 im Wesentlichen synchron angesteuert, wobei die maximale Ventilöffnung am oberen Totpunkt bei 0°KW vorgesehen wird. Die Öffnungs-EÖT/AÖT und Schließzeitpunkte EST/AST des Einlass- und Auslassventils 7, 8 sind ebenfalls identisch, so dass die Kompressions- KT und Entspannungsarbeit VT gleich sind. Durch das gleichzeitige Öffnen der Einlass- 7 und Auslassventile 8 erfolgt keine Durchströmung der Zylinder 2 mit Frischluft, so dass die Strömungsverluste und Ladungswechselverluste ebenfalls minimal sind.
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In 7 erfolgt eine maximale Öffnungsdauer der Ventilerhebungskurve für das Auslassventil von zwischen 210 bis 300° KW, so dass bereits während des Entspannungstaktes VT eine Öffnung zum Abgasabführungssystem 13 erfolgt. Durch einen reduzierten Ventilhub beim Öffnen des Einlassventils 7 bei etwa 0° KW um den oberen Totpunkt OT erfolgt nur ein Ansaugen einer geringen Luftmenge aus dem Luftzuführungssystem 12. Durch den frühen Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils 7 ist damit die Luftmenge, die während eines Ansaugtaktes ST angesaugt wird, gering. Dadurch muss eine geringe Menge von Frischluft während des Kompressionstakts KT komprimiert werden. Das Öffnen des Auslassventils 8 während des Entspannungstaktes VT wird so gewählt, dass die entgegenwirkende Entspannungsarbeit entsprechend identisch ist, so dass das Schleppmoment entsprechend verringert ist. Durch die Überlappung zwischen der Auslassventilöffnungszeitdauer und der Einlassventilöffnungszeitdauer ergibt sich eine Gesamtöffnungszeitdauer, die vorzugsweise im Bereich von 300 bis 420° KW, insbesondere von 360° KW, zu wählen ist.
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Die Gesamtöffnungsdauer kann abhängig von der Drehzahl eingestellt werden, so dass unter Berücksichtigung der Strömungsdynamik die effektive Öffnungsdauer von 360° kW gehalten werden kann. Eine geringere Füllung kann durch eine frühere Auslassspreizung in Kombination mit kleinerem Ventilhub des Einlassventils 7 und kleinerer Einlassspreizung erreicht werden. Eine höhere Füllung lässt sich durch eine spätere Auslassspreizung und größerem Einlassventilhub sowie größeren Einlassspreizungen darstellen.
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Weiterhin kann ein Schleppmoment reduziert werden, indem nur das Auslassventil 8 angesteuert wird mit einer Auslassspreizung von zwischen –150 bis –40° KW oder, wie in 9 gezeigt, eine ausschließliche Ansteuerung des Einlassventils mit einer Einlassventilspreizung zwischen 40° bis 150°KW bei geringem Ventilhub (ca. 5–30% des Maximalhubs) des Einlassventils 7.
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In einer weiteren Variante können sowohl das Einlassventil 7 als auch das Auslassventil 8 deaktiviert werden, wobei die Deaktivierung so erfolgt, dass zum Abschluss eines Ausstoßtakts AT das Auslassventil 8 geschlossen wird, so dass dies in den darauffolgenden Zyklen geschlossen bleibt. Analog wird dies mit dem Einlassventil 7 durchgeführt, im Anschluss an den Ansaugtakt ST bei ca. 180° KW. Die Abschaltreihenfolge ist dabei zunächst das Abschalten des Auslassventils 8 und dann das Abschalten des Einlassventils 7.
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Die Füllung kann zusätzlich durch Drosselung des zugeführten Frischluftmassenstroms durch die Drosselklappe 14 oder einen reduzierten Einlassventilhub gering eingestellt werden, so dass im Zylinder 2 die gewünschte Zylinderfüllung zum erneuten Start des befeuerten Betriebs eingeschlossen werden kann. Die Abschaltung kann zudem zylinderpaarweise erfolgen, d.h. die gemeinsame Abschaltung des Ventiltriebs der Auslassventile 8 für mehrere Zylinder 2.
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In einer alternativen Ausführungsform können die Einlass- und Auslassventile 7 8 auch dauerhaft geöffnet bleiben, so dass die Pumpverluste durch Bereitstellung entsprechender Ventilquerschnitte reduziert sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Zylinder
- 3
- Kolben
- 4
- Pleuel
- 5
- Kurbelwelle
- 6
- Brennraum
- 7
- Einlassventil
- 8
- Auslassventil
- 9
- Einspritzventil
- 10
- Einlassventilverstellung
- 11
- Auslassventilverstellung
- 12
- Frischluftzuführungssystem
- 13
- Abgasabführungssystem
- 14
- Drosselklappe
- KT
- Kompressionstaktes
- VT
- Entspannungstaktes
- AT
- Ausstoßtakt
- ST
- Ansaugtakt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19932665 A1 [0005]
- WO 2006/037422 A1 [0005]