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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine
mit einer internen und externen Abgasrückführung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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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
Gaswechselventile verwendet, z.B. sind Schaltnocken, Nockenwellensteller
oder Einzelventilbetätigungen
bekannt, die in Abhängigkeit
von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ansteuerbar sind.
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Zum
Verbessern der Abgasqualität
der Brennkraftmaschine werden Partikelfilter, so genannte Rußfilter,
und/oder NOx-Adsorberkatalysatoren oder SCR-Katalysatoren
verwendet, die nach gewissen Betriebszeiten in einem Regenerationsbetrieb regeneriert
werden müssen.
Bei dem Regenerationsbetrieb wird z.B. bei erhöhten Temperaturen der im Partikelfilter
eingelagerte Ruß abgebrannt.
Für die Entschwefelung
oder/oder NOx-Regeneration der NOx-Adsorberkatalysatoren und die Entschwefelung der
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. Außerdem belasten
die hohen Abgastemperaturen die Bauteile, insbesondere die Ventile und
Aktuatoren der äußeren Abgasrückführung, sodass
diese trotz des kurzzeitigen Regenerationsbetriebs aus sehr hochwertigen
Materialien und mit großem
Aufwand gefertigt werden müssen,
oder aber eine Abgasrückführung während des
Regenerationsbetriebs unterbleibt, was zu schlechteren Abgasqualitäten führt.
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Aus
der US 2003/005898 A1 ist eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine
mit variabel elektronisch ansteuerbaren Gaswechselventilen 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 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 Kaltlauf 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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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln die
Abgasqualität
während
einer Regenerationsphase wirksam zu verbessern und den für eine Regeneration
geeigneten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine zu vergrößern. 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 ist während
des Regenerationsbetriebs die externe Abgasrückführung reduziert, während mindestens
ein Auslassventil je Zylinder so angesteuert wird, dass die innere
Abgasrückführung verstärkt wird.
Dadurch wird zum einen erreicht, dass die Bauteile der äußeren Abgasrückführung, insbesondere
das Regelventil von den heißen Abgasen
während
des Regenerationsbetriebs nur im zulässigen Maße beansprucht werden und somit
aus einem Material gefertigt werden können, das nur den Abgastemperaturen
standzuhalten braucht, die während
des normalen Betriebs der Brennkraftmaschine auftreten. Während des
Regenerationsbetriebs wird die Abgasmenge der äußeren Abgasrückführung so reduziert,
dass die Bauteiltemperaturen die zulässigen Werte nicht übersteigen.
Gegebenenfalls wird die externe Abgasrückführung während des Regenerationsbetriebs
vollständig
unterbrochen. Zum anderen wird mindestens ein Auslassventil je Zylinder
so angesteuert, dass die innere Abgasrückführung verstärkt wird. Dadurch wird gewährleistet,
dass auch während
des Regenerationsbetriebs eine schadstoffarme Verbrennung stattfindet,
bei der insbesondere die NOx-Bestandteile
verringert sind.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung wird während des Regenerationsbetriebs
das Auslassventil früher
geöffnet
und/oder geschlossen als im Normalbetrieb, z.B durch ein so genanntes Phasing
mittels eines Nockenwellenstellers oder durch separat ansteuerbare,
elektromagnetische Aktuatoren. Dadurch verschlechtert sich zwar
der Wirkungsgrad der Verbrennung, da die wirksame Expansion der
Brenngase verkürzt
wird. Allerdings gelangen heißere
Abgase in das Abgassystem, was für
die Regeneration der Partikelfilter und eine Entschwefelung der
NOx-Adsorberkatalysatoren und SCR-Katalysatoren wichtig
ist. Durch die so erzielte Temperaturerhöhung erübrigt sich in der Regel, dass
zusätzlicher
Kraftstoff während
des Regenerationsbetriebs zugeführt
wird, um die Temperatur weiter zu erhöhen. Dadurch ergibt sich eine
Kraftstoffeinsparung während
der Regeneration. Außerdem
wird durch den größeren Abgasanteil
das Kraftstoffluftverhältnis λ ohne Erhöhung der
Kraftstoffzuführung
in Richtung eins verschoben. Das fette Gemisch begünstigt die NOx-Regeneration der NOx-Adsorberkatalysatoren und
Oxidationskatalysatoren. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine weitere Temperaturerhöhung während des
Regenerationsbetriebs auch dadurch zu erreichen, dass die Einlassventile später öffnen, oder
dass während
des Regenerationsbetriebs mindestens ein Auslassventil je Zylinder während der Öffnungszeit
des bzw. der Einlassventile noch einmal geöffnet wird.
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Grundsätzlich können alle
Gaswechselventile je Zylinder einzeln oder zu mehreren durch einzelne
Aktuatoren variabel betätigt
werden. In der Regel genügt
es allerdings, dass die Winkellage der Nockenwelle für die Auslassventile
und ggf. der Nockenwelle für
die Einlassventile durch einen Nockenwellensteller gegenüber der
zugeordneten Winkellage der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine veränderbar ist.
Eine weitere einfache Möglichkeit
besteht darin, dass das bzw. die Auslassventile jeweils von zwei Nocken
betätigt
werden, zwischen denen umgeschaltet werden kann. Dies geschieht
in der Regel mittels Schaltnocken, die in der Wirkverbindung zwischen
einem Nocken der Nockenwelle und einem der Auslassventile angeordnet
sind. Je nach Stellung des Schaltnockens wirkt der eine oder andere
Nocken der Nockenwelle auf das zugeordnete Auslassventil. Dabei
ist es zweckmäßig, dass
bei einer Vierventilanordnung nur eins der beiden Auslassventile variabel
angesteuert wird, insbesondere, wenn das Auslassventil durch eine
weitere Nockenerhebung während
der Öffnungszeit
der zugeordneten Einlassventile erneut öffnet. Dadurch lässt sich
erreichen, dass in Verbindung mit der Lage und Richtung des Abgaskanals
bei der internen Abgasrückführung die Bewegung
der Verbrennungsluft unterstützt
wird, die von den Einlasskanälen
erzeugt wird. Dadurch kann die interne Abgasrückführung in einem größeren Maße durchgeführt werden.
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Das
Maß, in
dem die interne Abgasrückführung forciert
und die externe Abgasrückführung zurückgenommen
wird, wird zweckmäßigerweise
in Abhängigkeit
einer oder mehrerer relevanter Betriebstemperaturen durchgeführt, z.B.
in Abhängigkeit
der Abgastemperatur und/oder der Bauteiltemperaturen der äußeren Abgasrückführung.
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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 in
einem Diagramm die normalen Steuerkurven von Gaswechselventilen
einer Hubkolbenbrennkraftmaschine über den Kurbelwinkel,
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2 ein
Diagramm entsprechend 1 mit einer Steuerkurve eines
Auslassventils, bei dem die Öffnungszeit
nach früh
verschoben ist,
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3 ein
Diagramm entsprechend 2 mit einer Steuerkurve eines
Einlassventils, dessen Öffnungszeit
nach spät
verschoben ist,
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4 ein
Diagramm entsprechend 1 mit einer Steuerkurve eines
Auslassventils, das während der Öffnungszeit
des Einlassventils noch einmal öffnet,
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5 ein
Diagramm entsprechend 2 mit einer Steuerkurve eines
Auslassventils, das während der Öffnungszeit
des Einlassventils noch einmal öffnet
und
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6 eine
Ventilbetätigung
zweier Auslassventile in einer perspektivischen Ansicht.
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In
den Diagrammen nach 1 bis 5 ist ein
Hub h von Gaswechselventilen, nämlich
von Auslassventilen und Einlassventilen, über einen Kurbelwinkel γ einer Kurbelwelle
einer Hubkolbenbrennkraftmaschine aufgetragen. Dabei ist eine normale Steuerkurve
eines Auslassventils 25, 26 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°. Ein
Bereich, in dem sich die Öffnungszeiten des
Auslassventils 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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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bzw. bei einer entsprechenden
Hubkolbenbrennkraftmaschine wird in einem Betrieb zur Regeneration
eines Partikelfilters und/oder zur Entschwefelung eines NOx-Adsorptionskatalysators oder SCR-Katalysators oder
Oxidationskatalysators bzw. zur NOx-Regeneration des
NOx-Adsorptionskatalysators die Steuerkurve 10 des
Auslassventils 25 und/oder 26 in Richtung eines
Pfeils 15 nach früh
verschoben, sodass das Auslassventil 25 bzw. 26 bereits
bei ca. 80° Kurbelwinkel
zu öffnen
beginnt, und zwar bis zu 40° Kurbelwinkel
früher
als im Normalbetrieb. Hierbei kann das Auslassventil 25, 26 durch
Phasing mittels eines Nockenwellenstellers 41 ebenfalls
entsprechend früher schließen. Die
Abgaskatalysatoren sind in 6 schematisch
angedeutet und haben das Bezugszeichen 40. In gleicher
Weise kann ein Partikelfilter angeordnet werden. Die modifizierte
Steuerkurve des Auslassventils 25, 26 ist mit 13 bezeichnet.
Da die Expansionsphase verkürzt
ist, gelangen heißere
Abgase in das Abgassystem, was für
die Regeneration der Partikelfilter bzw. Entschwefelung der NOx-Adsorberkatalysatoren/SCR-Katalysatoren
günstig
ist. Gleichzeit wird durch das frühzeitige Schließen des Abgasventils
Abgas im Zylinder zurückbehalten
und somit die innere Abgasrückführung verstärkt. Durch den
höheren
Abgasanteil an der Verbrennungsluft verlagert sich das Kraftstoffluftverhältnis λ ohne vermehrte
Kraftstoffzufuhr in Richtung 1, also in den fetten Bereich,
was für
die NOx-Regeneration
des NOx-Adsorptionskatalysators günstig ist
und gegenüber
einer üblichen
NOx-Regeneration mit vermehrter Kraftstoffzufuhr
Kraftstoff einspart.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 3 wird die Steuerkurve 11 in Richtung
eines Pfeiles 16 nach spät verschoben und ergibt die
neue Steuerkurve 14. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der
Verbrennung verschlechtert, was ebenfalls zu einer Temperaturerhöhung der
Abgase führt.
Somit kann der Regenerationsbetrieb auch während eines niedrigen Teillastbetriebs,
Schubbetriebs und/oder Leerlaufbetriebs aufrecht erhalten werden,
also in Betriebsbereichen, die für
eine Regeneration in der Regel nicht geeignet sind. Dabei werden
die Gaswechselventile in Abhängigkeit
einer relevanten Betriebstemperatur so angesteuert, dass die innere
Abgasrückführung verstärkt wird,
wobei die äußere Abgasrückführung reduziert
werden kann.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 4 wird das Auslassventil während der Öffnungszeit des Einlassventils
noch einmal geöffnet.
Daraus ergibt sich für
das bzw. die Auslassventile 25, 26 eine erweiterte
Steuerkurve 17, deren Lage und Amplitude den Gegebenheiten
der jeweiligen Brennkraftmaschine angepasst werden können. Durch
das erneute Öffnen
des Auslassventils gelangen Abgase aus dem Abgassystem während der
Einlassphase in den Zylinder. Durch die verstärkte innere Abgasrückführung wird
die Abgasqualität
während
des erweiterten Regenerationsbetriebs, auch zeitweise im Leerlauf, im
Schubbetrieb und im niederen Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine
ermöglicht
und verbessert, da die Temperatur in diesen Betriebsbereichen angehoben
werden kann, sodass die Brennkraftmaschine ihre optimale Betriebstemperatur
länger
beibehalten kann. Die erweiterte Steuerkurve 17 kann auch
in Kombination mit dem Ausführungsbeispiel
nach 2 oder 3 angewendet werden. 5 zeigt eine
Kombination mit dem Ausführungsbeispiel
nach 2.
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In
einfacher Weise können
die geänderten Ventilsteuerzeiten
durch einen Nockenwellensteller 41 erzeugt werden, durch
den die Steuerkurven relativ zum Kurbelwinkel γ nach früh oder spät in Richtung der Pfeile 15 oder 16 verstellt
werden können. Soll
ein oder sollen mehrere Auslassventile während der Einlassphase noch
einmal öffnen,
so können
die entsprechenden Nocken 23 zu der Nockenerhebung 24 eine
weitere Nockenerhebung erhalten, durch die das Auslassventil während der
Einlassphase betätigt wird.
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Die
Steuerkurven 10, 11, 13, 14 können auch durch
Schaltnocken 39 modifiziert werden. Dabei werden die zugeordneten
Gaswechselventile, nämlich
die Einlass- und/oder Auslassventile 26, jeweils von mindestens
zwei Nocken 21, 23 betätigt, die sich in ihrer Form
und Winkellage zueinander unterscheiden können. Die Schaltnocken 39 werden
durch einen Stellmechanismus wechselweise zur Wirkung gebracht.
Ein Ausführungsbeispiel
nach 6 zeigt zwei Auslassventile 25 und 26,
die von Ventilfedern 29 und 30 in Schließstellung
gehalten werden. Das Auslassventil 25 wird von einem Nocken 19 einer
Nockenwelle 18 über
einen Schwinghebel 31 an einem freien Ende seines Ventilschafts 27 entgegen
der Kraft der Ventilfeder 29 betätigt. Hierzu besitzt der Nocken 19 eine
Nockenerhebung 20, die relativ zum übrigen Umfang des Nockens 19 einen
größeren Abstand
von der Drehachse der Nockenwelle 18 aufweist. Der Nocken 19 läuft bei
der Drehung der Nockenwelle 18 um ihre Drehachse mit seinem
Umfang an einer Rolle 33 ab, die auf einer Achse 35 etwa
in der Mitte des Schwinghebels drehbar gelagert ist. Mit dem Ende,
das dem Ventilschaft 27 des Auslassventils 25 entgegengesetzt
ist, stützt
sich der Schwinghebel 31 über eine Stütze 37 gelenkig an
einem nicht näher
dargestellten Zylinderkopf der Hubkolbenbrennkraftmaschine ab. Durch
die Umfangskontur des Nockens 19 wird die Steuerkurve 10 bestimmt.
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Der
Ventilschaft 28 des Auslassventils 26 wird von
einem Nocken 21 mit einer Nockenerhebung 22 über einen
Schwinghebel 32 betätigt.
Der Nocken 21 und der Schwinghebel 32 entsprechen
im Wesentlichen dem Nocken 19 und dem Schwinghebel 31.
Allerdings sind zu beiden Seiten des Nockens 21 weitere
Nocken 23 mit Nockenerhebungen 24 vorgesehen.
Diese Nocken 23 unterscheiden sich in ihrer Winkellage
und/oder Umfangskontur von den Nocken 19 bzw. 21.
Sie betätigen
den Schwinghebel 32 über
Schaltnocken 39, die seitlich einer Rolle auf einer Achse 36 schwenkbar
gelagert sind. Die Schaltnocken 39 können durch eine nicht näher dargestellte
Stelleinrichtung in die Wirkverbindung zwischen den Nocken 23 und
dem Schwinghebel 32 geschwenkt werden, sodass die Nocken 23 mit
ihren Erhebungen 24 über
die Schaltnocken 39, die Achse 36 und den Schwinghebel 32,
der sich über
eine Stütze 38 am
Zylinderkopf abstützt,
das Ventil 26 betätigen.
In einer anderen Schaltstellung sind die Schaltnocken 39 nicht
wirksam, sondern der Nocken 21 betätigt mit seiner Nockenerhebung 22 das
Auslassventil 26 über
eine Rolle 34, die Achse 36 und den Schwinghebel 32.
Durch eine solche Vorrichtung ist es möglich, die Auslassventile 25, 26 mit
einfachen Mitteln im Regenerationsbetrieb unterschiedlich anzusteuern,
insbesondere können
sich die Steuerkurven, die durch die Nocken 19 und 21 erzeugt
werden, von den Steuerkurven, die sich aus der Geometrie der Nocken 23 ergeben,
grundsätzlich
unterscheiden, sodass eine große
Variationsvielfalt der Öffnungs-
und Schließzeiten
der Gaswechselventile möglich
ist. Grundsätzlich
ist es auch möglich,
die Einlassventile und Auslassventile durch einzelne Aktuatoren
anzusteuern. Hierdurch ergibt sich die größte Variationsvielfalt, jedoch
ist der Bauaufwand beträchtlich.