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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Direktstart einer mehrzylindrigen
Kolben-Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium
sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten
Patentansprüchen.
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Stand der
Technik
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der
DE 199 55 857 A1 bekannt.
Danach wird im Stillstand der Kurbelwelle in den Brennraum desjenigen
Zylinders, dessen Kolben sich im Verdichtungstakt befindet, Kraftstoff
eingespritzt und entzündet,
so dass sich die Kurbelwelle rückwärts bewegt.
Auf diese Weise wird die Luft in jenem Brennraum, dessen Kolben
sich währenddessen
im Arbeitstakt befindet, komprimiert. Erreicht die Kompression in
diesem Brennraum ihr Maximum beziehungsweise endet die Rückwärtsbewegung,
wird Kraftstoff in den im Arbeitstakt befindlichen Brennraum eingespritzt
und entzündet,
wodurch eine Vorwärtsdrehung
der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Gang gesetzt wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten
Art so weiterzubilden, dass es mit noch größerer Zuverlässigkeit und
Effizienz angewendet werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Weitere Lösungen
der gestellten Aufgabe sind in den nebengeordneten Patentansprüchen angegeben.
Außerdem
finden sich für
die Erfindung wesentliche Merkmale in der nachfolgenden Beschreibung
und der Zeichnung. Dabei können
diese Merkmale auch in ganz unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung
wesentlich sein.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird eine unnötige
Kompression der Verbrennungsabgase der ersten Verbrennung, die zu
Verlusten beim Start beziehungsweise Hochlauf der Brennkraftmaschine
führt,
vermieden. Hierdurch beschleunigt die Kurbelwelle besser in Vorwärtsrichtung,
was den Startvorgang zuverlässiger
macht. In dem hierfür
die ohnehin vorhandene Gaswechselventileinrichtung des ersten Brennraums
verwendet wird, wird die kostenintensive Installation zusätzlicher
Komponenten vermieden, was die Herstellkosten einer solchen Brennkraftmaschine
senkt. Voraussetzung für
das erfindungsgemäße Verfahren
ist, dass die entsprechende Brennkraftmaschine mit einem so genannten variablen
Ventiltrieb ausgestattet ist, bei dem die Gaswechselventileinrichtung
wenigstens im Wesentlichen unabhängig
von der Winkelstellung der Kurbelwelle betätigt werden kann.
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Bei
einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird vorgeschlagen, dass die Gaswechselventileinrichtung gegen Ende
der Rückwärtsbewegung
bei einem früheren Kurbelwinkel öffnet als
dieselbe oder eine andere Gaswechseleinrichtung des ersten Brennraums
im Normalbetrieb bei vorwärts
drehender Kurbelwelle. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass eine
Einlassventileinrichtung im Normalbetrieb (also außerhalb
einer Startphase) einer Brennkraftmaschine bei vorwärts drehender
Kurbelwelle erst deutlich nach Beginn des Verdichtungstaktes schließt. Umgekehrt würde sich
eine solche Einlassventileinrichtung bei rückwärts drehender Kurbelwelle öffnen, deutlich
bevor der Kolben dieses Brennraums den unteren Totpunkt erreicht.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird
erreicht, dass die Rückwärtsbewegung der
Kurbelwelle nicht frühzeitig
durch eine öffnende Einlassventileinrichtung
gestoppt wird. Dies hat wiederum zur Folge, dass die Kompression
im zweiten Brennraum während
der Rückwärtsbewegung
der Kurbelwelle stärker ausfällt und
damit das bei der Zündung
im zweiten Brennraum zur Ingangsetzung der Vorwärtsbewegung der Kurbelwelle
erzeugte Drehmoment größer ist.
Damit wird die Zuverlässigkeit
beim Starten der Brennkraftmaschine nochmals erhöht.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass ein Öffnen der
Gaswechselventileinrichtung des ersten Brennraums gegen Ende der
Rückwärtsbewegung
mindestens mittelbar von einer Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung
abhängt.
Damit wird eine maximale Ausnutzung der durch die erste Verbrennung
bewirkten Expansionsarbeit gewährleistet.
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Dies
kann auf einfache Art und Weise dadurch realisiert werden, dass
die Gaswechselventileinrichtung erst dann öffnen kann, wenn die Geschwindigkeit
der Rückwärtsbewegung
einen unteren Grenzwert erreicht oder unterschreitet.
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Zusätzlich oder
alternativ hierzu kann das Öffnen
der Gaswechselventileinrichtung des ersten Brennraums gegen Ende
der Rückwärtsbewegung mindestens
mittelbar von einer Position eines Kolbens des ersten Brennraums
abhängig
gemacht werden. Dies ist einfach realisierbar, da die Position des Kolbens
des ersten Brennraums aus der Winkelstellung der Kurbelwelle auf
einfache Art und Weise ermittelt werden kann.
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Dabei
wird eine maximale Ausnutzung der bei der ersten Verbrennung geleisteten
Expansionsarbeit dann erreicht, wenn die Gaswechselventileinrichtung
des ersten Brennraums erst dann öffnen kann,
wenn sich der Kolben des ersten Brennraums gegen Ende der Rückwärtsbewegung
im Bereich eines unteren Totpunktes befindet.
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Die
Vorwärtsbeschleunigung
der Kurbelwelle aufgrund der zweiten Verbrennung im zweiten Brennraum
wird nochmals verbessert, wenn die Gaswechselventileinrichtung des
ersten Brennraums während dessen
ersten Verdichtungstakt und mindestens auch während eines Großteils von
dessen nachfolgendem ersten Arbeitstakt geöffnet bleibt. Der Kolben des
ersten Brennraums muss also während
der einsetzenden Vorwärtsbewegung
der Kurbelwelle während
seines ersten Verdichtungstaktes und des anschließenden Arbeitstaktes
im Wesentlichen nur die Pumparbeit zum Ausschieben der Verbrennungsabgase
der ersten Verbrennung und zum nachfolgenden Ansaugen leisten. Das
der Vorwärtsbeschleunigung
entgegenstehende Drehmoment wird auf diese Weise reduziert.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Gaswechselventileinrichtung des ersten
Brennraums, die während
mindestens eines Großteils
von dessen erstem Verdichtungstakt nach dem Ende der Rückwärtsbewegung
und gegebenenfalls noch während
des nachfolgenden Arbeitstaktes des ersten Brennraums geöffnet ist,
eine Auslassventileinrichtung des ersten Brennraums ist. Hierdurch
wird verhindert, dass die Verbrennungsabgase der ersten Verbrennung
in einen Ansaugbereich der Brennkraftmaschine geschoben werden,
was die Füllung
mit Frischluft der anderen Brennräume bei nachfolgenden Ansaugtakten und
damit das von diesen Brennräumen
nachfolgend erzeugte Drehmoment reduzieren würde. Außerdem wird auf diese Weise
verhindert, dass dann, wenn die Gaswechselventileinrichtung des
ersten Brennraums auch während
des ersten Arbeitstaktes des ersten Brennraums geöffnet ist,
im Ansaugbereich der Brennkraftmaschine ein Unterdruck erzeugt wird, welcher
ebenfalls die Füllung
der anderen Brennräume
mit Frischluft und damit das von diesen nachfolgend erzeugte Drehmoment
reduzieren würde.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass eine Auslassventileinrichtung des zweiten
Brennraums gegen Ende von dessen erstem Arbeitstakt später öffnet als im
Normalbetrieb. Damit wird die von diesem Zylinder geleistete Expansionsarbeit
und damit die Anfangsbeschleunigung der Kurbelwelle in Vorwärtsrichtung maximiert,
was letztlich ebenfalls zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit
beim Starten der Brennkraftmaschine beiträgt.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine; und
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2 ein
schematisches Diagramm zur Erläuterung
eines Verfahrens zum Direktstart der Brennkraftmaschine von 1.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 trägt eine
Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
umfasst insgesamt vier Zylinder 12a, 12b, 12c und 12d.
Dabei sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass dann,
wenn die in Indizes a–d
nachfolgend nicht verwendet werden, die entsprechenden Ausführungen für sämtliche
Zylinder 12 und die entsprechenden Komponenten gelten.
Die vier Zylinder 12a–12d sind identisch
aufgebaut. Sie umfassen einen Brennraum 14, der von einem
hin und her bewegbaren Kolben 16 begrenzt wird. Ein Zylinder 12 ist
mit zwei Gaswechselventileinrichtungen versehen: Zum einen einer Einlassventileinrichtung 18,
durch die ein Brennraum 14 mit einem Ansaugrohr 20 verbunden
werden kann, und zum anderen mit einer Auslassventileinrichtung 22,
durch die ein Brennraum 14 mit einem Abgasrohr 24 verbunden
werden kann. Die Ansaugrohre 20a–d der Zylinder 12a–d sind
miteinander verbunden, ebenso die Abgasrohre 24a–d. Kraftstoff wird
in einen Brennraum 14 direkt von einem ihm zugeordneten
Injektor 26 eingespritzt. Ein in einem Brennraum 14 vorhandenes
Kraftstoff-Luft-Gemisch wird von einer Zündkerze 28 entzündet. Die
Kolben 16 sind auf die übliche
Art und Weise mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 30 verbunden,
deren Winkelstellung und Winkelgeschwindigkeit durch einen Sensor 32 erfasst
wird.
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Die
Einlassventileinrichtungen 18 und die Auslassventileinrichtungen 22 der
Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 können unabhängig von
der Stellung der Kurbelwelle 30 betätigt werden. Hierzu verfügt jede
Einlassventileinrichtung 18 über einen Steller 34,
und jede Auslassventileinrichtung 22 verfügt über einen
entsprechenden Steller 36. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird
von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 38 gesteuert
und geregelt. Diese ist mit einem Speicher versehen, auf dem ein
Computerprogramm zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 10 abgespeichert
ist. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 38 erhält Signale
von verschiedenen Sensoren der Brennkraftmaschine 10, so
auch von dem Sensor 32 sowie von einem nicht dargestellten
Lambda-Sensor, der eine Gemischzusammensetzung erfasst, einem Fahrpedalgeber,
mit dem ein Benutzer eines Kraftfahrzeugs, in welches die Brennkraftmaschine 10 eingebaut
ist, einen Drehmomentwunsch äußern kann
etc. Angesteuert werden von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 38 unter
anderem die Injektoren 26, die Zündkerzen 28 sowie
die Steller 34 und 36 für die Einlassventileinrichtung 18 und
die Auslassventileinrichtung 22.
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Die
Brennkraftmaschine 10 kann in unterschiedlichen Betriebsarten
betrieben werden. In einer ersten Betriebsart, dem so genannten "Schichtbetrieb", wird der Kraftstoff
von einem Injektor 26 während
einer durch einen Kolben 16 hervorgerufenen Verdichtungsphase
in den entsprechenden Brennraum 14 eingespritzt, und zwar örtlich in
die unmittelbare Umgebung der Zündkerze 28 sowie
zeitlich unmittelbar vor einem oberen Totpunkt OT des entsprechenden
Kolbens 16 beziehungsweise vor dem Zündzeitpunkt. Dann wird mit
Hilfe der Zündkerze 28 der
Kraftstoff gezündet,
so dass der Kolben 16 in dem nunmehr folgenden Arbeitstakt
durch die Ausdehnung des gezündeten
Kraftstoffes angetrieben und hierdurch die Kurbelwelle 30 in
eine Vorwärtsbewegung
versetzt wird, über
die letztendlich die Räder des
Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) angetrieben werden.
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In
einer zweiten Betriebsart, dem "Homogenbetrieb", wird der Kraftstoff
von dem Injektor 26 während
eines durch den Kolben 16 hervorgerufenen Ansaugtaktes
in den Brennraum 14 eingespritzt. Durch die gleichzeitig
angesaugte Luft wird der eingespritzte Kraftstoff verwirbelt und
damit in dem Brennraum 14 im Wesentlichen gleichmäßig, also
homogen, verteilt. Danach wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch während des
anschließenden
Verdichtungstaktes verdichtet, um dann von der Zündkerze 28 gezündet zu werden.
Durch die Ausdehnung des gezündeten Kraftstoffes
wird wiederum der Kolben 16 und letztlich die Kurbelwelle 30 angetrieben.
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In 2 ist
ein Verfahren zum Starten der Brennkraftmaschine 10 in
Form eines Diagramms dargestellt. Die einzelnen Zeilen des Diagramms
beziehen sich auf den jeweils angegebenen Zylinder 12a–12d.
Die einzelnen Spalten des Diagramms beziehen sich auf die jeweiligen
Takte, in denen sich die Kolben 16 der zugehörigen Zylinder 12 befinden.
Jeder der Kolben 16 kann sich dabei in einem Ansaugtakt,
einem Verdichtungstakt, einem Arbeitstakt oder einem Ausstoßtakt befinden.
Die unterschiedlichen Takte sind durch unterschiedliche Schraffuren
gekennzeichnet. Die in 2 links unten mit 40 bezeichnete
Schraffur stellt einen Verdichtungstakt dar, jene mit 42 einen
Arbeitstakt, jene mit 44 einen Ausstoßtakt und jene mit 46 einen
Ansaugtakt. Durch einen Stern ist in dem Diagramm eine Einspritzung
von Kraftstoff, durch einen Blitz eine Zündung gekennzeichnet. Die Übergänge zwischen
den einzelnen Takten sind durch den oberen Totpunkt OT der Kolben 16 der
einzelnen Brennräume 12a–12d gekennzeichnet.
Insoweit stellt die Achse entlang der Takte der Kolben 16 einen
Drehwinkel °KW
der Kurbelwelle 30 in Vorwärtsrichtung dar. Mit einen
gestrichelten Linie S ist die Stellung der Brennkraftmaschine 10 vor deren
Start dargestellt, also die Stellung im Stillstand der Brennkraftmaschine 10.
Bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren gemäß 2 ist ein
Anlasser nicht erforderlich.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, wird zunächst in den Brennraum 14a des
Zylinders 12a, der sich in einem Verdichtungstakt 40a befindet,
in 47 Kraftstoff eingespritzt. Dies stellt in diesem Betriebszyklus
der Brennkraftmaschine 10 insoweit eine erste Einspritzung
dar. Dann wird der eingespritzte Kraftstoff ebenfalls in dem Verdichtungstakt 40a des
Brennraums 14a des Zylinders 12a in 49 gezündet. Hierdurch
wird eine erste Verbrennung in dem Zylinder 12a ausgelöst, aufgrund
der die Kurbelwelle 30 in eine Drehbewegung versetzt wird.
Da sich der Kolben 16a des Zylinders 12a vor seinem
oberen Totpunkt OT12a befindet, bewegt sich
die Kurbelwelle 30 rückwärts. Dies
ist in 2 durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 48 dargestellt.
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Bei
einem herkömmlichen
starren Ventiltriebsystem mit Nockenwellen würde die Expansion im Zylinder 12a und
damit die Rückwärtsdrehung
der Kurbelwelle 30 durch das Öffnen der Einlassventileinrichtung 18a beendet.
Damit würden
die von der ersten Verbrennung erzeugten Verbrennungsabgase in das
Ansaugrohr 20a entweichen. Bei der hier gezeigten Brennkraftmaschine 10 können die
Einlassventileinrichtungen 18 und die Auslassventileinrichtungen 22 dagegen
unabhängig
von der Stellung der Kurbelwelle 30, nämlich durch die Steller 34 und 36 betätigt werden.
Vorliegend wird erst dann, wenn sich der Kolben 16a gegen
Ende der Rückwärtsbewegung 48 der
Kurbelwelle 30 kurz vor seinem unteren Totpunkt befindet
und die Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung 48 einen
unteren Grenzwert, der nahe null ist, unterschreitet, die Auslassventileinrichtung 22a vom
Steller 36a geöffnet.
Die Einlassventileinrichtung 18a bleibt dagegen geschlossen.
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Wenn
sich der Zylinder 12a in einem Verdichtungstakt 40a befindet,
befindet sich der Zylinder 12b in einem Arbeitstakt 42b.
Dies bedeutet, dass sich der Kolben 16b des Zylinders 12b aufgrund
der Rückwärtsbewegung
der Kurbelwelle 30 entsprechend Pfeil 48 wieder
seinem oberen Totpunkt OT12b nähert. Damit
wird im Brennraum 14b des Zylinders 12b ein Kompressionsdruck
aufgebaut, der die Rückwärtsbewegung 48 der
Kurbelwelle 30 abbremst. Es wird davon ausgegangen, dass
die erste Verbrennung derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass das
durch die erste Verbrennung erzeugte Drehmoment nicht ausreicht,
um den Kolben 16b des Zylinders 12b über dessen
oberen Totpunkt OT12b zu bewegen. Dies ist
gleichbedeutend damit, dass sich der Kolben 16a des Zylinders 12a während der
Rückwärtsbewegung 48 der
Kurbelwelle 30 nicht über
seinen unteren Totpunkt hinausbewegt. Dies kann beispielsweise durch
eine entsprechend niedrig bemessene eingespritzte Kraftstoffmasse
vor der ersten Verbrennung erreicht werden. Die Folge davon ist, dass
sich die Drehrichtung der Kurbelwelle 30 noch vor Erreichen
des besagten oberen Totpunktes OT12b von
einer Rückwärtsbewegung
in eine Vorwärtsbewegung
umkehrt. Dieser Umkehrpunkt ist in 2 durch
eine strichpunktierte Linie dargestellt, die mit U bezeichnet ist.
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Bevor
der Kolben 16b den Umkehrpunkt U erreicht, wird Kraftstoff
in den Brennraum 14b des Zylinders 12b eingespritzt
(Bezugszeichen 50 in 2). Im Umkehrpunkt
U oder kurz danach wird dieser Kraftstoff im Brennraum 14b entzündet (Bezugszeichen 52 in 2)
und es erfolgt eine "zweite" Verbrennung. Durch
die Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum 14b des Zylinders 12b im
Umkehrpunkt U führt
der Kolben 16b einen normalen Arbeitstakt aus. Hierdurch
wird die Kurbelwelle 30 in Vorwärtsrichtung beschleunigt, was
in 2 durch Pfeile 54 verdeutlicht ist. Um
die Expansionsarbeit der zweiten Verbrennung im Brennraum 14b des
Zylinders 12b zu maximieren, wird die Auslassventileinrichtung 22b vom
Steller 36b später
als in einem Normalbetrieb (also außerhalb einer Startphase),
nämlich
erst nahe am unteren Totpunkt des Kolbens 16b am Ende des
Arbeitstaktes 42b geöffnet.
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Nach
dem Durchlaufen des Umkehrpunktes U befindet sich der Zylinder 12a immer
noch im Verdichtungstakt 40a, jetzt allerdings bei in Vorwärtsrichtung
drehender Kurbelwelle 30 mit sich in Richtung des oberen
Totpunktes OT12a bewegendem Kolben 16a.
Würden
nun, wie dies bei einem starren Ventiltrieb üblich wäre, Einlassventileinrichtung 18 und Auslassventileinrichtung 22 geschlossen
sein, würden
die im Brennraum 14a aufgrund der ersten Verbrennung vorhandenen
Restgase bis zum oberen Totpunkt OT12a verdichtet
und während
des anschließenden
Arbeitstaktes 42a expandiert, wodurch es zu Verlusten durch Leckage
und Wärme
käme. Um
diese Verluste zu verringern beziehungsweise zu eliminieren, wird
bei der vorliegenden Brennkraftmaschine 10 die Auslassventileinrichtung 22a,
wie bereits erwähnt,
spätestens
bei Erreichen des Umkehrpunktes U geöffnet und anschließend über den
gesamten Verdichtungstakt 40a und den nachfolgenden Arbeitstakt 42a geöffnet gehalten.
Der Öffnungszeitraum
der Auslassventileinrichtung 22a ist in 2 mit 56 bezeichnet.
Auf diese Weise wird bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle 30 in
Vorwärtsrichtung
das Restgas über
die Auslassventileinrichtung 22a in das Abgasrohr 24a abgeleitet,
es kommt also zu keiner Kompression. Außerdem wird während des anschließenden Arbeitstaktes 42a des
Zylinders 12a Abgas nicht aus dem Ansaugrohr 12a,
sondern aus dem Abgasrohr 24a in den Brennraum 14a angesaugt,
so dass im und vor dem Zylinder 12d, der sich gleichzeitig
im Ansaugtakt 46d befindet, kein Unterdruck entsteht.
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Nach
dem Durchlaufen des Umkehrpunktes U befindet sich der Zylinder 12c in
seinem Ansaugtakt 46c. Nun wird Kraftstoff in diesem Ansaugtakt 46c in
den Brennraum 14c des Zylinders 12c eingespritzt,
der in dem nachfolgenden Verdichtungstakt 40c des Zylinders 12c entzündet wird.
Durch diese Verbrennung wird die Kurbelwelle 30 weiter
in Vorwärtsrichtung
getrieben. Danach wird aufeinander folgend Kraftstoff in die Zylinder 12d, 12b, 12a, 12c usw.,
jeweils während
des Ansaugtaktes 46 eingespritzt und jeweils während des
Verdichtungstaktes 40 entzündet.