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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines
Verbrennungsmotors.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls einen Motor zur Durchführung dieses
Steuerungsverfahrens.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Steuerung
eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, insbesondere vom
Dieseltyp, vom Typ mit einem Lufteinlasskrümmer und einem Krümmer zum
Auslass der verbrannten Gase, die jeweils über wenigstens eine Einlassleitung
und über
wenigstens eine Auslassleitung mit einer Verbrennungskammer wenigstens
eines Zylinders des Motors in Verbindung stehen, vom Typ, bei welchem
die Verbindungen einer jeden Einlassleitung und einer jeden Auslassleitung
mit der Kammer jede jeweils durch ein Ventil, jeweils für den Einlass und
für den
Auslass, verschließbar
sind, vom Typ mit einer Vorrichtung zur variablen Verteilung, um
die Zeitpunkte der Öffnung
der Ventile zu verändern,
insbesondere in Abhängigkeit
der Motorbelastung, und vom Typ, der gemäß einem Viertaktzyklus betrieben wird,
mit einer Einlassphase, einer Verdichtungsphase, einer Entspannungsphase
und einer Auslassphase.
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Im
Allgemeinen arbeiten Motoren vom Dieseltyp in allen Betriebszonen
mit einer Verbrennung, die ein Dieselgasgemisch vom heterogenen
Typ verwendet, d.h., dass die Einlassgase und der Dieselkraftstoff
ungleichmäßig in der
Verbrennungskammer verteilt sind.
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Dieser
Betriebsmodus, der so genannte heterogene Modus, ist einerseits
die Ursache der Rauchemissionen und andererseits der Stickstoffoxid- oder
NOx-Emissionen.
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Eine
Verbrennung vom homogenen Typ, bei welcher die Einlassgase und der
Dieselkraftstoff gleichmäßig in der
Verbrennungskammer verteilt sind, verwendet die Rauchemissionen
und verringert beträchtlich
die NOx-Emissionen, bei gleichzeitiger Beibehaltung
eines nahe an der Verbrennung vom heterogenen Typ liegenden Wirkungsgrades.
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Damit
ein Motor im homogenen Modus betrieben werden kann, ist es im Allgemeinen
erforderlich, Hilfsmittel zur Zerstäubung des Dieselkraftstoffes
und zur Bildung eines homogenen Luft-Dieselkraftstoffgemisches einzusetzen.
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Bei
diesen Mitteln handelt es sich z.B. um die Erwärmung der eingelassenen Luft,
die Verwendung zweier Kraftstoffeinspritzer, den Betrieb mit einem flüchtigeren
Kraftstoff usw.
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Diese
Mittel erfordern teure Zusätze und/oder
erlauben nicht den Betrieb des Motors im heterogenen Modus, der
erforderlich ist, um ausreichende Leistung zu erzielen, wenn der
Motor mit Volllast fährt.
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Die
Erfindung zielt darauf ab, diesen Nachteilen abzuhelfen.
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Zu
diesem Zweck schlägt
die Erfindung ein Steuerungsverfahren vom vorher beschriebenen Typ vor,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass, wenn der Motor mit geringer
Last oder Teillast betrieben wird, man am Anfang der Verdichtungsphase
die Öffnung wenigstens
eines Auslassventils während
einer vorbestimmten Dauer befehligt, um so über die zugeordnete Auslassleitung
wieder Abgase in die Verbrennungskammer einzuführen, und dadurch, dass man diesen
Abgasen eine geordnete aerodynamische Bewegung mitgibt, insbesondere
vom "Swirl"- oder "Tumble"-Typ.
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Die
geordnete aerodynamische Bewegung, die beim Öffnen des oder der Auslassventile
erzeugt wird, trägt
durch den Geschwindigkeitswert, die Turbulenz und die Temperatur
der in die Verbrennungskammer des Zylinders wieder eingeführten Abgase zur
Zerstäubung
des Kraftstoffes und zur Bildung eines homogenen Gemischs mit von
den Einlassleitungen eingelassenen Gasen, beispielsweise Luft und rezirkulierte
Abgase, durch die Auslassleitungen wieder eingeführten Abgasen und Kraftstoff,
beispielsweise Diesel, bei.
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Zudem
verdünnen
die durch die Auslassleitungen wieder eingeführten Abgase die Ladung, was es
erlaubt, die NOx-Emissionen zu verringern.
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Die
Verwendung eines Systems zur variablen Verteilung erlaubt einen
herkömmlichen
Volllastbetrieb des Motors.
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Gemäß anderer
Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens:
- – gibt
man den durch die Einlassleitungen in die Verbrennungskammer eingeführten Einlassgasen während der
Einlassphase, wenn der Motor mit geringer Last oder Teillast betrieben
wird, einen geordnete aerodynamische Bewegung vom selben Typ mit,
wie die aerodynamische Bewegung der durch die Auslassleitungen wieder
eingeführten
Abgase;
- – ist
die geordnete aerodynamische Bewegung der wieder eingeführten Abgase
im Wesentlichen parallel zu und in dieselbe Richtung ausgerichtet wie
die geordnete aerodynamische Bewegung der Einlassgase, um so ein
Gas-Kraftstoffgemisch vom homogenen Typ zu verwirklichen;
- – befehligt
man das Öffnen
und Schließen
der Ventile gemäß einem
herkömmlichen
Verteilungsdiagramm, wenn der Motor mit Volllast betrieben wird,
um so ein Gas-Kraftstoffgemisch vom heterogenen Typ zu verwirklichen.
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Die
Erfindung schlägt
ebenfalls einen Motor zur Durchführung
des Verfahrens gemäß einem
der vorhergehenden Merkmale vor, dadurch gekennzeichnet, dass er
Mittel umfasst, um den Abgasen, die man am Anfang der Verdichtungsphase
wieder in die Verbrennungskammer einführt, eine geordnete aerodynamische
Bewegung, insbesondere vom "Swirl"- oder "Tumble"-Typ, mitzugeben.
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Gemäß anderer
Merkmale des erfindungsgemäßen Motors:
- – wird
die geordnete aerodynamische Bewegung der Abgase durch die interne
Geometrie der Auslassleitung mitgegeben, durch welche die Abgase in
die Verbrennungskammer wieder eingeführt werden;
- – umfasst
jeder Zylinder einen Kraffstoffeinspritzer vom Typ mit mehreren
Einspritzlöchern
und eine in den zugeordneten Kolben eingebrachte Verbrennungskammer;
- – umfasst
der Motor individuell durch lineare Stellglieder, insbesondere elektromagnetische
Stellglieder, gesteuerte Ventile.
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden
detaillierten Beschreibung offensichtlich, zu deren Verständnis auf die
angefügten
Zeichnungen verwiesen wird, in welchen:
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1 eine
schematische Teilschnittansicht eines Teils eines Verbrennungsmotors
ist, dessen Ventile individuell durch lineare Stellglieder gemäß einem
Verfahren im Einklang mit den Lehren der Erfindung gesteuert werden;
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2 ein
Diagramm ist, das schematisch das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren veranschaulicht,
wenn der Motor mit geringer Last oder Teillast betrieben wird;
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3 eine
zur 1 ähnliche
Ansicht ist, die den Zylinder des gemäß dem in der 2 dargestellten
Verfahren gesteuerten Motors während
der Einlassphase veranschaulicht;
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4 eine
zur 1 ähnliche
Ansicht ist, die den Zylinder des gemäß dem in der 2 dargestellten
Verfahren gesteuerten Motors zu Beginn der Verdichtungsphase veranschaulicht.
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In
der nun folgenden Beschreibung wird in nicht beschränkender
Weise angenommen, dass der Motor nur einen Zylinder umfasst, und
dass dieser Zylinder ein einziges Einlassventil und ein einziges Auslassventil
besitzt, die individuell durch lineare elektromagnetische Stellglieder
gesteuert werden.
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In 1 ist
ein Zylinder 10 eines Motors vom Dieseltyp mit Direkteinspritzung
dargestellt.
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Der
obere Teil des Zylinders 10 bildet eine Verbrennungskammer 12,
die in die obere Fläche 14 eines
beweglichen Kolbens 16 eingebracht ist und die oben durch
einen Zylinderkopf 18 begrenzt ist.
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In
dem unteren Teil des Zylinders 10 verbindet eine Stange 20 den
Kolben 16 mit einer Kurbelwelle (nicht dargestellt).
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Der
Zylinder 10 wird über
einen Einlasskrümmer 22 mit
Einlassgas versorgt, der über
eine Einlassleitung 24 mit der Verbrennungskammer 12 des Zylinders 10 in
Verbindung steht, die durch ein Einlassventil 2fi in die
Verbrennungskammer 12 mündet, dessen
Verstellung durch ein lineares elektromagnetisches Stellglied 28 gesteuert
wird, um die Verbindung zwischen der Einlassleitung 26 und
der Verbrennungskammer 12 zur verschließen oder auch nicht.
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Eine
Auslassleitung 30 ist zur Evakuierung der verbrannten Gase
aus der Verbrennungskammer 12 vorgesehen, hin zu einem
Abgaskrümmer 32, durch
ein Auslassventil 34, das ebenfalls durch ein lineares
elektromagnetisches Stellglied 36 gesteuert wird.
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Die
Steuerung des Einlassventils 26 und des Auslassventils 34 wird
durch eine elektronische Steuereinheit 38 sichergestellt,
welche die Stellglieder 28, 36 steuert.
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Die
elektronische Einheit 38 steuert auch die Direkteinspritzung
des Kraftstoffes, hier des Dieselkraftstoffes, in die Verbrennungskammer 12 mittels eines
Kraftstoffeinspritzers 40 vom Typ mit mehreren Einspritzlöchern.
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Die
elektronische Steuereinheit 38 umfasst insbesondere Mittel
zur Speicherung eines oder mehrerer Kennfelder des Motorbetriebs.
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Die
elektronische Steuereinheit 38 empfängt Signale, die für Betriebsparameter,
wie beispielsweise die Motordrehzahl, den Atmosphärendruck
den Druck in jedem Zylinder 10, den Durchsatz der Einlassgase
und/oder Auslassgase, das derzeit abgegebene Drehmoment, usw. repräsentativ
sind.
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Gemäß dem Prinzip
des Viertaktzyklus eines Verbrennungsmotors erfolgt dieser über zwei
Drehungen der Kurbelwelle und vier Hübe des Kolbens 16,
zwischen dem oberen Totpunkt OTP und dem unteren Totpunkt UTP dessen
Hubes.
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Die
vier Takte des Zyklus sind die Einlassphase Pa, die Verdichtungsphase
Pc, die Verbrennungs-Entspannungsphase Pd und die Auslassphase Pe.
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Es
wird nun der Betrieb des Motors gemäß einem Steuerungsverfahren
im Einklang mit den Lehren der Erfindung erklärt.
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Wenn
der Motor mit geringer Last oder Teillast betrieben wird, wird der
Motor auf die folgende Weise gesteuert, die in der 2 veranschaulicht ist.
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In
der 2, die das Motorsteuerungsverfahren gemäß der Erfindung
in Abhängigkeit
der Zeit t darstellt, ist angegeben:
- – auf der
Linie Ph, die vier Takte des Betriebszyklus des Motors und der Zeitpunkt
der Entzündung Entz
des Gas-Kraftstoffgemisches;
- – auf
der Linie S, die Zeitpunkte des Öffnens
und des Schließens
der Ventile 26, 34; und
- - auf der Linie Inj, die Dauer der Kraftstoffeinspritzung.
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In
gewöhnlicher
Weise befehligt man zu Beginn der Einlassphase Pa das Öffnen OE
des Einlassventils 26, wie es in der 3 dargestellt
ist, um über
die Einlassleitung 24 von dem Einlasskrümmer 22 stammende
Einlassgase in die Verbrennungskammer 12 einzulassen.
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Die
Einlassgase bestehen aus Luft und eventuell aus rezirkulierten Abgasen,
wenn der Motor eine Leitung zur Rezirkulation der Abgase vom Abgaskrümmer 32 hin
zum Einlasskrümmer 22 umfasst.
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Die
interne Geometrie der Einlassleitung 24 ist. so vorgesehen,
dass sie den Einlassgasen, welche in die Verbrennungskammer 12 eingeführt werden,
eine geordnete aerodynamische Bewegung vom "Swirl"-Typ mitgibt.
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Es
wird daran erinnert, dass die Bildung einer Wirbelbewegung, so genannter "Swirl", im Zylinder 10,
bei welcher den im Zylinder 10 enthaltenen Gasen eine Drehbewegung
um eine zur Achse des Zylinders 10 im Wesentlichen parallele
Achse mitgegeben wird, es erlaubt, eine Vermischung von Einlassgas-Kraftstoff
zu begünstigen.
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Den
Einlassgasen wird also im Inneren der Verbrennungskammer 12 eine
Swirl-Bewegung mitgegeben.
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Das
Schließen
SE des Einlassventils 26 wird am Ende der Einlassphase
Pa befehligt.
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Zu
Beginn der Verdichtungsphase Pc, während das Einlassventil 26 verschlossen
ist, befehligt man das Öffnen
OA des Auslassventils 34 über eine bestimmte Dauer, wie
es in der 4 dargestellt ist, um über die
Auslassleitung 30 Abgase in die Verbrennungskammer 12 wieder
einzuführen.
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In
der Tat ist am Anfang der Verdichtungsphase Pc der Druck im Abgaskrümmer 32 größer als der
Druck in der Verbrennungskammer 12. Das Öffnen OA
des Auslassventils 34 verursacht folglich ein Ansaugen
der im Abgaskrümmer 32 enthaltenen
Abgase hin zur Verbrennungskammer 12.
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Der
Zeitpunkt und die Dauer der Öffnung
des Auslassventils 34 während
der Verdichtungsphase Pc werden durch die elektronische Einheit 33 bestimmt,
beispielsweise in Abhängigkeit
der Motorlast.
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Ähnlich zur
Einlassleitung 24 ist die interne Geometrie der Auslassleitung 30 derart
vorgesehen, dass den Abgasen, welche in die Verbrennungskammer 12 wieder
eingeführt
werden, eine Swirl-Bewegung mit gleicher Orientierung und gleicher
Richtung wie die Swirl-Bewegung der Einlassgase mitgegeben wird.
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Die "Flugbahn" Ta der Abgase ist
also im Wesentlichen parallel zur "Flugbahn" Te der Einlassgase.
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Während der
Verdichtungsphase Pc addiert sich die Swirl-Bewegung der Abgase
zur Swirl-Bewegung der Einlassgase, die nach dem Schließen SE des
Einlassventils 26 fortdauert.
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Gleichzeitig
versprüht
der Kraftstoffeinspritzer 40 während der Öffnung OA des Auslassventils 34 Diesel-Kraftstoff
in der Verbrennungskammer 12.
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Dank
der Swirl-Bewegung der in der Verbrennungskammer 12 enthaltenen
Gase und dank der Anwesenheit von Abgasen wird der Dieselkraftstoff
rasch zerstäubt
und es bildet sich ein homogenes Gemisch aus Einlassgasen, wieder
eingeführten Abgasen
und Dieselkraftstoff.
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Die
elektronische Einheit 38 befiehlt das Schließen SA des
Auslassventils 34 einige Kurbelwellenlagengrade nach dessen Öffnung OA.
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Der
Betriebszyklus des Motors fährt
dann auf gewöhnliche
Weise fort.
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Am
Ende der Verdichtungsphase Pc entzündet sich das Gemisch von selbst,
was den Beginn der Verbrennungs-Entspannungsphase Pd auslöst.
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Am
Ende der Verbrennungs-Entspannungsphase Pd befiehlt man das Öffnen OA
des Auslassventils 34, um so während der Auslassphase Pe die verbrannten
Gase hin zum Abgaskrümmer 32 zu evakuieren.
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Am
Ende der Auslassphase Pe befiehlt man das Schließen SA des Auslassventils 34;
sodann beginnt der Motor einen neuen Zyklus.
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Wenn
der Motor mit Volllast betrieben wird, befiehlt man das Öffnen und
Schließen
der Ventile 26, 34 gemäß einem klassischen Verteilungsdiagramm,
um so ein Einlassgas-Dieselkraftstoffgemisch vom heterogenen Typ
zu verwirklichen.
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Der
Betriebszyklus gemäß dem klassischen Verteilungsdiagramm
ist ähnlich
zu dem soeben beschriebenen, jedoch wird das Auslassventil 34 nicht während der
Verdichtungsphase Pc geöffnet.
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Gemäß anderer
Ausführungsformen
(nicht dargestellt) der Erfindung kann der Motor verschiedene bekannte
Mittel umfassen, um den Gasen eine geordnete aerodynamische Bewegung
mitzugeben.
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Bei
diesen Mitteln handelt es sich z.B. um in den Einlass- und Auslassleitungen 24, 30 angeordnete
Deflektoren, oder eine angepasste Steuerung der Öffnung und des Verschließens der
Ventile 26, 34, insbesondere in einem Motor mit
mehreren Einlassventilen 26 und/oder mehreren Auslassventilen 34 pro
Zylinder 10, usw.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform (nicht
dargestellt) der Erfindung kann die geordnete aerodynamische Bewegung
der Einlass- und Auslassgase vom "Tumble"-Typ sein, d.h., dass den im Zylinder 10 enthaltenen
Gasen eine Drehbewegung um eine zur Achse des Zylinders 10 im
Wesentlichen rechtwinklige Achse mitgegeben wird.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform (nicht
dargestellt) der Erfindung kann die Wiedereinführung der Abgase durch Öffnung des
Auslassventils ohne geordnete aerodynamische Bewegung erfolgen;
in diesem Fall ist es die durch die Abgase erzeugte Turbulenz, welche
die Vermischung sicherstellt.
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Man
stellt fest, dass das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden
kann, um ein Gas-Kraftstoffgemisch vom geschichteten Typ zu verwirklichen,
d.h. in der Form von Schichten, insbesondere im Rahmen eines Benzinmotors.
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In
diesem Fall steuert man die Mittel, welche die in die Verbrennungskammer 12 eingeführten Gasen
eine geordnete aerodynamische Bewegung mitgeben, derart, dass die
Gase und der Kraftstoff im Wesentlichen getrennte Schichten bilden.
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Die
Erfindung wurde im Rahmen eines Motors mit Ventilen 26, 34 beschrieben,
die individuell durch lineare Stellglieder 28, 36 gesteuert
werden.
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Wohlgemerkt
findet die Erfindung auf andere Motortypen Anwendung, die eine Vorrichtung
zur variablen Verteilung umfassen.
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Die
erfindungsgemäßen Motoren
können mehrere
Zylinder 10 und mehrere Einlassventile 26 und/oder
Auslassventile 34 pro Zylinder 10 umfassen.