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Die
Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und 5.
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Bei
tiefen Temperaturen, z.B. in einem Bereich zwischen 0 und –25 °C, haben
Dieselbrennkraftmaschinen mit sehr niedrigem Verdichtungsverhältnis nach
dem Kaltstart zunehmend Aussetzer bzw. die Verbrennung erlischt
komplett während
der Kaltlaufphase der Brennkraftmaschine im Teillastbereich. Ferner
steigen durch NOx-Reduktionsmaßnahmen
die HC/CO-Emissionen
im Startbereich eines Testzyklusses, z.B. NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus)
oder FTP 75 (Federal Test Procedure) extrem an, sodass bei einer
weiteren Verschärfung
der gesetzlichen Grenzwerte diese nicht bzw. nur mit erheblichem
Aufwand durch Abgasnachbehandlung unterschritten werden können. Der
Startbereich des Testzyklusses ist durch Außentemperaturen im Bereich von
+22 bis +29 °C
gesetzlich vorgeschrieben. Insbesondere bei diesen Temperaturen
entsteht bzw. verschärft
sich die eben beschriebene HC-Problematik. Erschwerend kommt hinzu,
dass die Abgaskatalysatoren der Abgasnachbehandlung aufgrund der
kalten Brennkraftmaschine, den damit verbundenen niedrigen Abgastemperaturen
und der kalten Abgasanlage noch nicht in der Lage sind, sowohl die
HC- als auch die CO-Emissionen katalytisch zu konvertieren.
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Zum
Verbessern des Betriebsverhaltens von Hubkolbenbrennkraftmaschinen
und deren Abgasqualität
wird ein Teil des Abgases der Verbrennungsluft beigemischt. Man unterscheidet
zwei Arten der so genannten Abgasrückführung, und zwar eine externe,
kalte und eine interne, heiße
Abgasrückführung. Bei
der externen Abgasrückführung wird
aus dem Abgassystem ein Teil des Abgases entnommen und über eine
Abgasrückführungsleitung
mit einem Regelventil in das Ansaugsystem der Brennkraftmaschine
eingespeist. Da dies nur möglich
ist, wenn zwischen der Entnahmestelle des Abgases und der Einspeisestelle
ein Druckgefälle
besteht, müssen
bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einer Aufladung der Verbrennungsluft
entsprechende Vorkehrungen getroffen werden. Die interne Abgasrückführung wird durch
eine entsprechende Auslegung der Steuerzeiten der Gaswechselventile
erreicht, indem ein Teil des Abgases im Zylinder zurückgehalten
oder über die
Einlassventile in die Einlasskanäle
geschoben oder über
die Auslassventile während
der Einlassphase aus dem Abgassystem in den Zylinder zurückgesaugt
wird. Um die interne Abgasrückführung den Erfordernissen
der Brennkraftmaschine anpassen zu können, werden variabel betätigbare
Einlass- und/oder Auslassventile verwendet. Es sind beispielsweise
Einzelventilbetätigungen
bekannt, die in Abhängigkeit
von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ansteuerbar sind.
Einfachere Lösungen
ergeben sich in den ersten beiden Fällen durch ein Verschieben
(Phasing) der Steuerzeiten der Gaswechselventile mittels eines Nockenwellenstellers oder
im letzten Fall durch eine asymmetrische Nockenumschaltung gegebenenfalls
mit einer Beeinflussung des Dralls.
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Zum
Verbessern der Abgasqualität
der Brennkraftmaschine werden Partikelfilter, so genannte Rußfilter,
NOx-Adsorberkatalysatoren, SCR-Katalysatoren
und/oder Oxidationskatalysatoren verwendet, die nach gewissen Betriebszeiten
in einem besonderen Betriebsmodus der Hubkolbenbrennkraftmaschine
gegebenenfalls regeneriert und/oder entschwefelt werden müssen. Bei
dem Regenerationsbetrieb, der in der Regel einen erheblichen Mehrverbrauch
an Kraftstoff zufolge hat, wird bei erhöhten Temperaturen der im Partikelfilter
eingelagerte Ruß abgebrannt.
Für die
Entschwefelung der NOx-Adsorberkatalysatoren
bzw. SCR-Katalysatoren ist ebenfalls eine sehr hohe Abgastemperatur
notwendig. Diese ist jedoch nicht in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine
vorhanden, sodass sich die Regeneration der Filter und Katalysatoren
ohne zusätzliche
Maßnahmen
auf relativ kleine Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine beschränkt.
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Aus
der US 2003/005898 A1 ist eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine
mit variabel elektronisch ansteuerbaren Gaswechselventilen, nämlich zwei
Einlassventilen und zwei Auslassventilen je Zylinder, bekannt, von
denen die entsprechenden Einlassventile während der normalen Auslassphase
noch einmal öffnen
können,
sodass ein Teil des Abgases vom Zylinder in die Einlassungsöffnung strömt und bei
der nächsten
Einlassphase in den Zylinder zurückkehrt,
während
hier ein Teil der Abgase, der zuvor in die Auslassöffnung strömte, in
den Zylinder zurückkehrt,
wenn das Auslassventil während der
Einlassphase zusätzlich öffnet. Bei üblichen Brennkraftmaschinen
ist die innere Abgasrückführung nur
in einem beschränkten
Maße möglich, da sonst
die Rotationsbewegung der Verbrennungsluft und der Brenngase gestört würde. Um
die Schadstoffemission durch eine größere Toleranz der inneren Abgasrückführung herabzusetzen,
sind je Zylinder zwei Einlasskanäle
vorgesehen, von denen einer etwa tangential in den Zylinder mündet, während der andere
eine spiralförmige
Gestalt besitzt und somit in der einströmenden Luft einen Drall erzeugt.
Die zugeordneten Einlassventile können unterschiedlich angesteuert
werden, sodass die Stärke
des Dralls im Zylinder moduliert werden kann. Durch die variable Ansteuerung
der Gaswechselventile kann außerdem das
Verdichtungsverhältnis
der Brennkraftmaschine herabgesetzt werden, z.B. bei Dieselbrennkraftmaschinen
auf ein Verdichtungsverhältnis
von 17:1 oder darunter.
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Ferner
wird vorgeschlagen, beim Kaltstart die Einlassventile früher zu schließen und/oder
die Auslassventile früher
zu öffnen.
Beide Maßnahmen reduzieren
den Luftdurchsatz durch die Brennkraftmaschine und erhöhen die
Abgastemperatur. Dadurch können
die Abgaskatalysatoren und Abgasfilter beim Kaltstart schnell aktiviert
werden. Die interne, heiße
Abgasrückführung kann
neben einer externen, kalten Abgasrückführung angewendet werden, obwohl
die interne weniger effektiv ist, um Stickstoffoxide zu reduzieren.
Auf jeden Fall kann die interne Abgasrückführung in der Aufwärmphase
angewendet werden, wenn die äußere Abgasrückführung wegen
der niedrigen Temperaturen nicht optimal eingesetzt werden kann.
Mit den variabel ansteuerbaren Gaswechselventilen ist es möglich, die
Ladung so zu verdünnen,
dass man angenähert
ein stöchiometrisches
Gemisch erreicht. Gleichzeitig kann man die Temperatur steuern,
indem man eine externe Abgasrückführung beimischt.
Die Temperatur der Ladung beeinflusst den Zündverzug, bedingt durch die
hohe Verdünnung.
Außerdem
kann eine hohe Konzentration an aktiven Radikalen bei der heißen Abgasrückführung die
Verbrennungsgeschwindigkeit beschleunigen.
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Aus
der US 2004/0074481 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, deren
Einlassventile und Auslassventile von Nocken jeweils einer Nockenwelle
betätigt
werden. Die Nocken besitzen Öffnungs- und
Schließkurven,
die so aufeinander abgestimmt sind, dass sich die Öffnungskurve
des Einlassventils teilweise mit der Schließkurve des Auslassventils überlappen.
Wenigstens eine Nockenwelle ist variabel verstellbar, um die durch
die Abgasrückführung zurückgeführte Abgasmenge
zu steuern. Die Erhebungskurven der Nocken verlaufen im erweiterten Überlappungsbereich
sehr flach, um eine Kollision zwischen den Hubkolben und den Gaswechselventilen
zu vermeiden. Die Steuerkurven der Gaswechselventile werden durch
einen Nockenwellensteller relativ zum Drehwinkel einer Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine verstellt.
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Aus
der
US 6 439 210 B1 ist
eine Brennkraftmaschine mit einer inneren Abgasrückführung bekannt, bei der eins
der Auslassventile während
der Auslassphase geschlossen wird. Ferner kann während der Auslassphase das
Einlassventil geöffnet und
geschlossen werden. Dabei ist es möglich, die Öffnungszeit des Auslassventils
zu verkürzen. Schließlich kann
während
der Öffnungsphase
des Einlassventils während
des Einlasstakts das Auslassventil kurzzeitig öffnen. Die Gaswechselventile werden
vorzugsweise individuell durch elektrische, elektromagnetische oder
elektrohydraulische Aktuatoren betätigt, die von einer elektronischen
Steuereinheit angesteuert werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln das
Kaltstart- und Kaltlaufverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Sie wird gemäß der Erfindung
durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach
der Erfindung werden die Einlassventile und die Auslassventile durch
Nocken jeweils einer Nockenwelle betätigt. Dabei sind einem der
Auslassventile je Zylinder mindestens zwei Nocken zugeordnet, die über einen
Schaltmechanismus wechselweise in Wirkverbindung mit dem Auslassventil
gebracht werden können.
Einer von den beiden Nocken, der in einer Kaltstart- und Kaltlaufphase
geschaltet ist, weist zwei Nockenerhebungen auf, von denen eine erste
Nockenerhebung während
der Auslassphase und eine zweite Nockenerhebung während einer
Einlassphase das Auslassventil betätigt.
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Durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird
mit einfachen Mitteln eine intensive und wirkungsvolle innere Abgasrückführung während der sich
an den Kaltstart anschließenden
Kaltlaufphase der Brennkraftmaschine erreicht. Dadurch lässt sich eine
Kaltlaufstabilisierung selbst bei niedrigen Minustemperaturen darstellen,
was insbesondere für
zukünftige
Entwicklungen von Brennkraftmaschinen mit sehr niedrigem Verdichtungsverhältnis sehr
vorteilhaft ist. Der Brennraum der Brennkraftmaschine wird durch
die erheblich erhöhten
Temperaturen des zurückgeführten Abgases
während
der Kaltlaufphase erheblich schneller erwärmt und erreicht somit in kürzerer Zeit
seine optimale Betriebstemperatur mit guten Verbrauchswerten und
Abgasqualitäten.
Die schnelle Erwärmung
der Brennkraftmaschine wirkt sich ebenfalls günstig auf die Heizung des Fahrgastraums
eines Fahrzeugs aus, wodurch der Komfort wesentlich gesteigert wird.
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Außerdem lässt sich
ein deutliches HC-Absenkungspotential bei kalter Brennkraftmaschine nachweisen,
d.h. bei Testbedingungen und Temperaturen zwischen +22 und +29 °C. Auf Grund
der erheblich gesteigerten Abgastemperatur wird das Anspringen der
Abgaskatalysatoren beschleunigt, was wiederum zu einer weiteren
Absenkung der HC/CO-Emissionen führt.
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Damit
die während
der Einlassphase in den Zylinder zurückströmenden Abgase die Bewegung der
einströmenden
Luft nicht stören,
wird gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass das Auslassventil,
das mit zwei Nocken zusammenwirkt, in geschlossener Stellung auf
einem Teil des Umfangs seines Ventiltellers von einer Auslassabdeckung
umgeben ist, die sich am Zylinderkopf vom Ventilsitz aus ein wenig
in Richtung in den Zylinder erstreckt und den Ventilteller während der
ersten Öffnungsphase
mit geringem Spiel umfasst.
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In
dem Umfangsbereich des Ventiltellers, der nicht von der Auslassabdeckung
umfasst ist, kann das Abgas ungehindert in den Zylinder zurückströmen, wobei
sich in diesem Bereich zweckmäßigerweise
die Öffnung
des Auslasskanals über
eine Phase zum Zylinder hin erweitert. Beide Maßnahmen geben dem zurückströmenden Abgas
die gewünschte Richtung,
durch die die Drallbewegung der einströmenden Verbrennungsluft nicht
gestört,
sondern unterstützt
und verstärkt
wird. Der erhöhte
Drall kann bei geeigneter Brennraumgeometrie zu einer erheblichen
Reduktion der Partikel- und CO-Emissionen genutzt werden. Dadurch
kann ein Nachteil der HC-Absenkung durch innere Abgasrückführung wieder kompensiert
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung können
die erfinderischen Maßnahmen
auch mit einer Nockenwellenverstellung der Auslassventile und/oder
der Einlassventile kombiniert werden. Die innere Abgasrückführung wird
hier durch eine Drehung der Nockenwelle der Auslassventile relativ
zur Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Richtung frühes Öffnen der
Auslassventile und/oder eine Drehung der Nockenwelle der Einlassventile
in Richtung spätes Öffnen der
Einlassventile verstellt. Damit wird ein größerer Restgasanteil im Zylinder
eingeschlossen. Bei ausschließlichem
Drehen der Nockenwelle der Auslassventile wird das Restgas im Zylinder
zunächst
eingeschlossen und bei Öffnen
der Einlassventile in die Einlasskanäle ausgeschoben, um dann wieder
während
der Einlassphase in den Zylinder gesaugt zu werden. Werden die Nockenwellen
der Einlassventile und der Auslassventile in entgegengesetzter Richtung
verdreht, so entfällt
das Ausschieben in die Einlasskanäle, d.h. das Restgas verbleibt im
Zylinder. Diese Maßnahmen
unterstützen
die zuerst genannten Maßnahmen,
können
aber auch gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung in einigen Anwendungsfällen ohne
diese sinnvoll eingesetzt werden.
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Bei
einem kontinuierlichen Brennverfahren hat die äußere Abgasrückführung Vorteile gegenüber der
inneren Abgasrückführung. Da
aber die äußere Abgasrückführung bei
einem Wechsel der Brennverfahren träge reagiert, ist es gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, ein Verfahren zu verwenden,
bei dem die innere Abgasrückführung in Kombination
mit einer äußeren Abgasrückführung verwendet
wird, wobei während
eines Umschaltens zwischen zwei Brennverfahren vorwiegend die innere
Abgasrückführung verwendet
wird. Dadurch kann die Abgasrückführung im
jeweiligen Brennverfahren sehr schnell, verzögerungsfrei angepasst werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die
Ansprüche
enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird
die Merkmale zweckmäßigerweise auch
einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
Diagramm mit einer Steuerkurve eines Auslassventils, das während der Öffnungszeit des
Einlassventils noch einmal öffnet,
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2 eine
Ventilbetätigung
zweier Auslassventile in einer schematischen, perspektivischen Ansicht,
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3 eine
schematische Draufsicht auf einen Zylinder mit 2 Einlassventilen
und zwei Auslassventilen,
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4 einen
schematischen Schnitt in vergrößertem Maßstab entsprechend
der Linie IV-IV in 3,
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5 eine
perspektivische Ansicht entsprechend der 3 mit einem
Schnitt durch die Gaswechselkanäle,
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6 eine
vergrößerte Einzelheit
entsprechend der Linie VI in 5,
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7 ein
Diagramm mit einer Steuerkurve eines Auslassventils, dessen Öffnungszeit
durch einen Nockenwellensteller nach früh verschoben werden kann und
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8 ein
Diagramm entsprechend der 1 mit einer
modifizierten Steuerkurve für
ein Auslassventil nach 7.
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In
den Diagrammen nach 1, 7 und 8 ist
ein Hub h von Auslassventilen 25, 26 und nicht
näher dargestellten
Einlassventilen, über
einen Kurbelwinkel γ einer
Kurbelwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine aufgetragen. Diese
kann je Zylinder ein oder mehrere Einlassventile bzw. Auslassventile 25, 26 aufweisen.
Eine normale Steuerkurve eines Auslassventils 25, 26 ist
mit 10 bezeichnet, während
die Steuerkurve eines zugeordneten Einlassventils die Kennziffer 11 trägt. Der
Viertaktzyklus der Hubkolbenbrennkraftmaschine beginnt nach einer
vorhergehenden Verdichtungsphase im oberen Totpunkt bei einem Kurbelwinkel γ 0°, an den
sich bis zu einem Kurbelwinkel 180°, dem unteren Totpunkt, eine
Verbrennungs-/Expansionsphase anschließt. In einem Winkelbereich
von etwa 45° bis
60° vor
dem unteren Totpunkt bei 180° Kurbelwinkel öffnet im
Normalfall das Auslassventil 25, 26 und schließt in der Regel
in einem Winkelbereich von 5° bis
20° nach dem
oberen Totpunkt bei 360° Kurbelwinkel.
Wie die Steuerkurve 11 für das Einlassventil zeigt, öffnet dieses
kurz vor dem oberen Totpunkt bei 360°, und zwar in einem Winkelbereich
von etwa 10° bis
15° vor
dem oberen Totpunkt. Ein Bereich, in dem sich die Öffnungszeiten
des Auslassventils 25, 26 und des Einlassventils überschneiden
und in dem beide Ventile geöffnet
sind, ist mit 12 gekennzeichnet. An den oberen Totpunkt
bei 360° schließt sich
die Einlassphase bis zum unteren Totpunkt bei 540° Kurbelwinkel
an. Das Einlassventil wird in der Regel in einem Bereich von 40° bis 60° nach dem
unteren Totpunkt bei 540° geschlossen.
Von da ab beginnt bis zum oberen Totpunkt bei 720° Kurbelwinkel
die Verdichtungsphase, an die sich ein neuer Viertaktzyklus periodisch
anschließt.
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Die
dargestellte Brennkraftmaschine besitzt je Zylinder 40 zwei
nicht dargestellte Einlassventile und zwei Auslassventile 25, 26,
die jeweils von einer Nockenwelle 16 betätigt werden
und Einlasskanäle 43, 44 bzw.
Auslasskanäle 41, 42 steuern.
Die Nockenwelle 16 für
die Auslassventile 25, 26 besitzt zwei Nocken 18, 20 mit
jeweils einer Nockenerhebung 19, 21, durch die
die Auslassventile 25, 26 im Normalbetrieb während der
Auslassphase geöffnet werden.
Dabei dreht sich die Nockenwellung 16 in Drehrichtung 17.
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Die
Auslassventile 25, 26 werden durch Ventilfedern 29, 30 in
geschlossener Stellung gehalten. Dabei schließen die Auslassventile 25, 26 mit
ihren Ventiltellern 45, 46 die Auslasskanäle 41, 42 an
einer zylinderseitigen Öffnung 51 ab,
indem die Ventilteller 45, 46 an ihrem Umfang
an einem Ventilsitz 47, 48 im Zylinderkopf 52 anliegen.
Die Ventilfedern 29, 30 stützen sich einerseits an dem
Zylinderkopf 52 und andererseits an einem Ventilschaft 27, 28 der
Auslassventile 25, 26 ab. Auf das dem Zylinder 40 abgewandte
Ende des Ventilschafts 27, 28 wirkt mit einem Ende
ein Schwinghebel 31, 32, dessen anderes Ende sich über eine
gelenkige Stütze 37, 38 am
Zylinderkopf 52 abstützt.
Zwischen dem Ventilschaft 27, 28 und der Stütze 37, 38 ist
am Schwinghebel 31, 32 eine Rolle 33, 34 auf
einer Achse 35, 36 drehbar gelagert. Der Umfang
des Nockens 18, 20 rollt an der Rolle 33, 34 ab.
Bei der Drehung der Nockenwelle 16 in Drehrichtung 17 wird
das Auslassventil 25, 26 durch die Nockenerhebung 19, 21 in
eine geöffnete Position
verstellt.
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Eines
der beiden Auslassventile 25, 26 im Ausführungsbeispiel
nach 2, das Auslassventil 26, kann durch einen
weiteren Nocken 22 wechselweise zum Nocken 20 betätigt werden.
Aus Belastungsgründen
sind im vorliegenden Fall zwei gleichartige Nocken 22 zu
beiden Seiten des Nockens 20 angeordnet. Die Nocken 22 können durch
Schaltnocken 39 zur Wirkung gebracht werden, indem diese durch
eine nicht näher
dargestellte Stelleinrichtung in eine Wirkstellung geschaltet werden.
Die Schaltnocken 39 sind schwenkbar zu beiden Seiten des Schwinghebels 32 auf
einer verlängerten
Achse 36 gelagert, auf der ebenfalls die Rolle 34 gelagert
ist. Die Schaltnocken 39 sind so ausgelegt, dass in ihrer Wirkstellung
die Rolle 34 von dem Umfang des Nockens 20 abhebt.
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Der
Nocken 22 besitzt zwei Nockenerhebungen 23, 24,
die in der wirksamen Stellung der Schaltnocken 39 das Auslassventil 26 in
der Auslassphase steuern und in der Einlassphase ein zweites Mal öffnen. Die
erweiterte Steuerkurve während
der Einlassphase ist in 1 und 8 dargestellt
und mit 13 bezeichnet. Während das Auslassventil 26 durch
die zweite Nockenerhebung 24 geöffnet wird, strömt Abgas
aus dem Auslasskanal 42 in den Zylinder 40 zurück und vermischt
sich dort mit der durch die Einlasskanäle 43, 44 einströmenden Verbrennungsluft. Damit
die in den Zylinder 40 zurückströmenden Abgase die Drallbewegung
der einströmenden
Verbrennungsluft nicht stören,
ist an der Öffnung 51 des
Auslasskanals 42 nach dem Ventilsitz 48 am Zylinderkopf 52 zum
Zylinder 40 hin eine Auslassabdeckung 49 vorgesehen.
Diese umfasst den Ventilteller 46 des Auslassventils 26 über einen
Teil seines Umfangs mit einem geringen Spiel, sodass der in den
Zylinder 40 zurückströmende Abgasstrom
zur freien Seite des Umfangs gelenkt wird. Dabei wird die Öffnung 51 in der
gewünschten
Strömungsrichtung
durch eine Fase 50 zum Zylinder 40 hin erweitert,
sodass die Strömungsrichtung
der zurückströmenden Abgase die
Bewegung der einströmenden
Verbrennungsluft unterstützt
und verstärkt.
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Bei
der Ausführung
nach 7 besitzt die Nockenwelle 16 einen Nockenwellenversteller 53, durch
den der Öffnungsbeginn
der Auslassventile 25, 26 in Richtung eines Pfeils 15 nach
früh verschoben wird.
Dadurch ergibt sich die modifizierte Steuerkurve 14. In
gleicher Weise kann die Nockenwelle für die Einlassventile durch
einen Nockenwellensteller in die entgegengesetzte Richtung verstellt
werden, sodass die Einlassventile später öffnen. Durch den Nockenwellensteller 53 kann
erreicht werden, dass mehr oder weniger Restgas im Zylinder verbleibt.
Die Maßnahmen
nach 7 können
allein oder zusammen mit den Maßnahmen
nach 1 angewendet werden. Ein entsprechendes Steuerdiagramm
ist in 8 dargestellt. Auch hierbei kann die Nockenwelle für die Einlassventile
durch einen Nockenwellensteller in Richtung spät verstellt werden, sodass
die Einlassventile später öffnen.