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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium,
eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung sowie eine Brennkraftmaschine
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 die Vorwärtsdrehung
der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Gang gesetzt wird. Vom
Markt her bekannt sind ferner Brennkraftmaschinen mit einem Druckspeicher,
der von einem separaten Kompressor gespeist wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten
Art so weiterzubilden, dass die Kosten der Herstellung der Brennkraftmaschine
möglichst
gering sind.
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Offenbarung
der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Weitere Lösungen
sind in den nebengeordneten Patentansprüchen angegeben, die ein Computerprogramm,
ein elektrisches Speichermedium, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung
sowie eine Brennkraftmaschine betreffen. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben. Ferner finden sich für
die Erfindung wesentliche Merkmale in der nachfolgenden Beschreibung
und der Zeichnung. Dabei können
die Merkmale auch in ganz unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung
wesentlich sein.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann auf einen separaten Kompressor verzichtet werden, da die Brennkraftmaschine
selbst zeitweise als Kompressor verwendet wird. Hierdurch wird die
Herstellung der Brennkraftmaschine vereinfacht und deren Kosten
gesenkt. Gleichzeitig steht dennoch komprimiertes Fluid in dem Druckspeicher zur
Verfügung,
welches für
ganz unterschiedliche Anwendungsfälle im Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzt
werden kann. Eine vorhandene Zündanlage
ist während
der Speicherphase normalerweise nicht in Betrieb.
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Dabei
hängt die
Verwendung des im Druckspeicher gespeicherten und unter Druck stehenden Fluids
von der Art des Fluids ab, welches während der Speicherphase in
den Druckspeicher geleitet wird. So kann beispielsweise während der
Speicherphase das Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum unterbrochen
werden, so dass das Fluid wenigstens im Wesentlichen reine Luft
ist. Diese steht dann beispielsweise für die Betätigung pneumatischer Einrichtungen
zur Verfügung.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass vor der Speicherphase Abgas im Brennraum
zurückgehalten und/oder
in diesen rückgeführt wird,
so dass das Fluid Abgas umfasst. Hierdurch kann eine spezielle Art der
Abgasrückführung realisiert
werden, durch die das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine
verbessert werden kann.
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Möglich ist
aber auch, dass während
der Speicherphase weiterhin Kraftstoff in den Brennraum eingebracht
wird, so dass das Fluid ein Kraftstoff/Luft-Gemisch ist. Ein solches
im Druckspeicher gespeichertes Kraftstoff/Luft-Gemisch kann beispielsweise
für die
Heizung einer Katalysatoranlage, zur Verbesserung des Emissionsverhaltens
bei tiefen Temperaturen etc. eingesetzt werden.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch im Zusammenhang mit
dem Direktstart einer Brennkraftmaschine. Bei einem solchen Direktstart
wird die Brennkraftmaschine ohne Zuhilfenahme eines Anlassers gestartet,
indem Kraftstoff in einen im Arbeitstakt befindlichen Brennraum
eingebracht und gezündet
wird. Wenn es sich bei dem im Druckspeicher gespeicherten Fluid
um reine Luft handelt und diese für einen Direktstart in mindestens
einen Brennraum eingebracht wird, vorzugsweise in jenen Brennraum,
in dem die allererste Verbrennung stattfindet, wird die Gemischaufbereitung
deutlich verbessert, da es durch die Lufteinblasung zu einer Luftbewegung
im Brennraum kommt, die die Vermischung von Luft und Kraftstoff
unterstützt.
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Dies
führt zu
einer Drehmomenterhöhung, was
die Zuverlässigkeit
bei einem Direktstart erhöht, und
zu einer Absenkung der Emissionen. Darüber hinaus wird durch eine
solche Lufteinblasung der Druck im Brennraum bei stehender Kurbelwelle
erhöht,
wodurch mehr Luftmasse im Brennraum eingeschlossen werden kann,
die dann anschließend
bei der Verbrennung zur Verfügung
steht. Damit kann das bei der ersten Verbrennung während eines
Direktstarts erzeugte Drehmoment erhöht werden, wodurch wiederum
die Zuverlässigkeit
des Direktstartverfahrens erhöht
wird, da die Kurbelwelle durch die erste Verbrennung stärker beschleunigt
wird.
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Dabei
kann vor allem dann, wenn das Fluid ein Kraftstoff/Luft-Gemisch
ist, ein Direktstart auch bei einer Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung
durchgeführt
werden. Damit wird der Anwendungsbereich des Direktstartverfahrens
deutlich erweitert und auch bei Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung
kann auf einem Anlasser mit den entsprechenden Vorteilen verzichtet
werden.
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Die
eingangs genannte Speicherphase kann beispielsweise im Normalbetrieb
der Brennkraftmaschine durchgeführt
werden. Beispielsweise ist vorstellbar, dass bei einzelnen Arbeitsspielen
eines Zylinders keine Zündung
und gegebenenfalls auch keine Einbringung von Kraftstoff in den
Brennraum erfolgt und speziell während
dieser einzelnen Arbeitsspiele das im Brennraum komprimierte Fluid
in den Druckspeicher geleitet wird.
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Komfortabler
für den
Benutzer der Brennkraftmaschine ist es jedoch, wenn die Speicherphase während eines
Schubbetriebs der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. Während eines solchen Schubbetriebs
erfolgt ohnehin keine Zündung
und im Allgemeinen auch keine Einbringung von Kraftstoff in den Brennraum,
so dass während
des Schubbetriebs die Brennkraftmaschine ohne Komforteinbuße als Kompressor
zur Speisung des Druckspeichers arbeiten kann.
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Ferner
ist möglich,
dass die Speicherphase während
eines Auslaufens der Brennkraftmaschine nach einer vorangegangenen
Abschaltanweisung durchgeführt
wird. Auch in diesem Fall wird der Komfort im Betrieb der Brennkraftmaschine
nicht beeinträchtigt.
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Bei
einer für
das oben genannte Verfahren geeigneten Brennkraftmaschine kann der
Druckspeicher thermisch isoliert und/oder beheizbar und/oder kühlbar sein.
Damit kann die Brennraumtemperatur beeinflusst werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 näher erläutert.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 trägt eine
Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs und umfasst mehrere
Zylinder, von denen in Figur beispielhaft nur einer mit dem Bezugszeichen 12 gezeichnet
ist. Die Zylinder 12 sind jedoch identisch aufgebaut. Der
Zylinder 12 einen Brennraum 14, der von einem
hin und her bewegbaren Kolben 16 begrenzt wird. Der Zylinder 12 ist
mit zwei Gaswechselventileinrichtungen versehen: Zum einen einer
Einlassventileinrichtung 18, durch die der Brennraum 14 mit
einem Ansaugrohr 20 verbunden werden kann, und zum anderen mit
einer Auslassventileinrichtung 22, durch die der Brennraum 14 mit
einem Abgasrohr 24 verbunden werden kann.
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Kraftstoff
wird bei der Brennkraftmaschine 10 in den 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 der Zylinder sind auf die übliche Art und Weise mit einer gemeinsamen
Kurbelwelle 30 verbunden, deren Winkelstellung und Winkelgeschwindigkeit
durch einen Sensor 32 erfasst wird. Zusätzlich ist dem Brennraum 14 noch
eine Ventileinrichtung 34 zugeordnet, die mit einem Druckspeicher 36 verbunden
ist. Dieser ist, was in der Zeichnung allerdings nicht dargestellt
ist, mit einer thermischen Isolierung versehen. In einem nicht dargestellten
Ausführungsbeispiel
verfügt
der Druckspeicher ferner über
eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung.
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Der
Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer-
und 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 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 34, mit dem ein Benutzer
des Kraftfahrzeugs, in welches die Brennkraftmaschine 10 eingebaut
ist, einen Drehmomentwunsch äußern kann, etc.
Angesteuert werden von der Steuer- und Regeleinrichtung 38 unter
anderem die Injektoren 26, die Zündkerzen 28, sowie
die Ventileinrichtung 34.
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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 dem Injektor 26 während
einer durch einen Kolben 16 hervorgerufenen Verdichtungsphase
in den 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 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
werden wiederum der Kolben 16 und letztlich die Kurbelwelle 30 angetrieben.
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Zum
Starten wird ein so genanntes "Direktstartverfahren" angewandt. Hierfür sind bisher
verschiedene Möglichkeiten
bekannt: Bei einem ersten Direktstartverfahren der Brennkraftmaschine 10 wird bei
stillstehender Brennkraftmaschine 10 in den Brennraum jenes
Zylinders 12, dessen Kolben 16 sich gerade in
einem Arbeitstakt befindet, eine für eine Verbrennung notwendige
Menge an Kraftstoff mittels des Injektors 26 eingespritzt
und von der Zündkerze 28 gezündet. Hierdurch
wird die Kurbelwelle 30 in Vorwärtsrichtung beschleunigt. Danach wird
jeweils in jenen Brennraum 14 des Zylinders 12, dessen
Kolben 16 den nächsten
Arbeitstakt ausführt, Kraftstoff
vom Injektor 26 eingespritzt und gezündet, sobald der entsprechende
Kolben 16 seine Arbeitsstellung erreicht hat.
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Ein
anderes Verfahren zum Direktstart der Brennkraftmaschine 10 ist
folgendermaßen
gestaltet: Beim Stillstand der Kurbelwelle 30 wird in denjenigen Zylinder 12,
dessen Kolben 16 sich gerade in einem Verdichtungstakt
befindet, Kraftstoff eingespritzt und entzündet, so dass sich die Kurbelwelle 30 zunächst rückwärts bewegt.
Dabei wird die Einspritzung und Zündung so durchgeführt, dass
sich der Kolben 16 nicht über seinen rückwärtigen unteren
Totpunkt hinwegbewegt, sondern dass sich ungefähr im Bereich des unteren Totpunkts
die Bewegung der Kurbelwelle 30 von der Rückwärtsbewegung
in eine Vorwärtsbewegung
umkehrt.
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In
diesem Umkehrpunkt oder kurz nach diesem Umkehrpunkt wird in denjenigen
Zylinder 12 Kraftstoff eingespritzt und entzündet, dessen
Kolben 16 sich gerade in einem Arbeitstakt befindet. Diese Verbrennung
führt zu
einer Beschleunigung der Kurbelwelle 30 in Vorwärtsrichtung,
wodurch der Kolben 16, der sich im Verdichtungstakt befindet,
den oberen Totpunkt überschreitet.
Die Verbrennungsabgase der ersten Verbrennung in dem Zylinder 12,
dessen Kolben 16 sich in dem Verdichtungstakt befindet,
werden hierbei verdichtet und anschließend expandiert, ohne dass
es zu einer erneuten Verbrennung kommt. Danach wird jeweils in den
Brennraum 14 des oder der Zylinder 12, deren Kolben 16 den
nächsten
Arbeitstakt ausführen,
Kraftstoff eingespritzt und gezündet, sobald
die betreffenden Kolben 16 die Arbeitsstellung erreicht
haben.
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Bei
beiden beschriebenen Direktstartverfahren wird der Kraftstoff jedoch
ganz zu Beginn der Startsequenz in den Brennraum 14 eingespritzt, ohne
dass in diesem eine "natürliche" Ladungsbewegung
vorhanden ist, die durch das vom Ansaugrohr 20 über die
Einlassventileinrichtung 18 in den Brennraum 14 strömende Luft
hervorgerufen werden könnte.
Ein solcher Luftstrom existiert nämlich ganz zu Anfang nicht.
Um dennoch eine gute Gemischbildung in den Brennräumen 14 ganz
zu Beginn des Direktstartverfahrens zu ermöglichen, wird bei der vorliegenden
Brennkraftmaschine 10 folgendermaßen vorgegangen:
Beispielsweise
während
eines Schubbetrieb der Brennkraftmaschine 10, während dem
die Kurbelwelle 30 vom Kraftfahrzeug angetrieben und daher
kein Kraftstoff in die Brennräume 14 eingespritzt
wird und keine Zündung
durch die Zündkerze 28 erfolgt,
wird von der Steuer- und Regeleinrichtung 38 eine "Speicherphase" initiiert. Bei einer
solchen Speicherphase wird die Ventileinrichtung 34 während eines
Verdichtungstaktes eines Zylinders 12 geöffnet, so
dass die in dem Brennraum 14 vom Kolben 16 komprimierte Luft
in den Druckspeicher 36 geleitet wird. Auf diese Weise
wird der Druckspeicher 36 mit Luft gefüllt, wobei der maximale Speicherdruck
im Druckspeicher 36 dem maximalen Kompressionsdruck im
Brennraum 14 entspricht. Die Brennkraftmaschine 10 wird
während
einer solchen Speicherphase also als Kompressor betrieben, mit dem
der Druckspeicher 36 mit Luft gefüllt wird. Die Speicherphase
endet spätestens dann,
wenn der Schubbetrieb der Brennkraftmaschine 10 endet.
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Soll
nun nach einem Stillstand der Brennkraftmaschine 10 diese
durch eines der oben beschriebenen Direktstartverfahren gestartet
werden, wird während
der ersten Einspritzungen von Kraftstoff durch den Injektor 26 in
den Brennraum 14 zusätzlich
die im Druckspeicher 36 gespeicherte Luft mittels der Ventileinrichtung 34 in
den Brennraum 14 eingeblasen. Hierdurch kommt es zu einer
Luftbewegung im Brennraum 14, die die Vermischung von Luft und
Kraftstoff unterstützt.
Darüber
hinaus wird durch diese Lufteinblasung der Druck im Brennraum 14 bei stehender
Kurbelwelle 30 erhöht,
wodurch mehr Luftmasse im Brennraum 14 eingeschlossen werden kann,
die dann anschließend
für eine
Verbrennung zur Verfügung
steht. Letztlich wird hierdurch das Drehmoment bei den ersten Verbrennungen
während
eines Direktstarts erhöht,
was die Zuverlässigkeit
des Direktstartverfahrens verbessert. Durch die bessere Vermischung
der Luft mit dem Kraftstoff werden darüber hinaus die Emissionen gesenkt.
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Bei
der oben beschriebenen Speicherphase erfolgte keine Einspritzung
von Kraftstoff durch den Injektor 26 in den Brennraum 14,
so dass während
eines Verdichtungstaktes im Wesentlichen reine Luft über die
Ventileinrichtung 34 in den Druckspeicher 36 gefördert wurde.
Es ist aber auch möglich,
während der
Speicherphase weiterhin Kraftstoff durch den Injektor 26 in
den Brennraum 14 einzuspritzen, und lediglich die Zündung dieses
Kraftstoffes durch die Zündkerze 28 zu
unterlassen. Damit bildet sich im Brennraum 14 ein Kraftstoff/Luft-Gemisch,
welches dann während
des Verdichtungstaktes über
die dann geöffnete
Ventileinrichtung 34 in den Druckspeicher 36 gefördert wird.
Bei einer solchen Speicherphase arbeitet die Brennkraftmaschine 10 ebenfalls
als Kompressor, im Druckspeicher 36 wird jedoch nicht reine
Luft, sondern ein Kraftstoff/Luft-Gemisch unter Druck gespeichert.
Wird nun für
einen Direktstart das in dem Druckspeicher 36 gespeicherte
Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Brennraum 14 eingebracht, kommt
es zu einer sehr gleichmäßigen Verteilung des
Kraftstoffs im Brennraum 14 und damit zu einer vorteilhaften
Gemischbildung für
den Direktstart.
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Ein
solches "Einblasen" eines Kraftstoff/Luft-Gemisches
in den Brennraum 14 für
einen Direktstart der Brennkraftmaschine 10 erweitert den Anwendungsbereich
eines solchen Direktstartverfahrens auf Brennkraftmaschinen mit
Saugrohreinspritzung. In einem solchen Fall wird nur für die allererste(n)
Zündung(en)
die Einblasung eines Kraftstoff/Luftgemisches mittels der Ventileinrichtung 34 verwendet,
gleich anschließend,
wenn sich die Kurbelwelle 30 dreht, kann die Einspritzung
durch das übliche
Einspritzventil (in der Figur nicht dargestellt) in das Saugrohr 20 erfolgen.
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Es
versteht sich, dass das oben beschriebene Speicherverfahren deutlich
effektiver durchgeführt werden
kann, wenn die Einlassventileinrichtung 18 und die Auslassventileinrichtung 22 unabhängig von der
Stellung der Kurbelwelle 30 betätigt werden können. Bei
einem solchen "vollvariablen
Ventiltrieb" kann
nämlich
nicht nur der Verdichtungstakt, sondern auch der Ausstoßtakt eines
Zylinders 12 für
die Komprimierung und Förderung
von im Brennraum 14 vorhandenem Fluid in den Druckspeicher 36 verwendet werden.
Dies kann Luft oder ein Kraftstoff/Luftgemisch, aber auch ein zuvor
im Brennraum zurückbehaltenes
oder in diesen rückgeführtes Abgas
sein. Letzteres gestattet die Realisierung einer besonders flexiblen
Variante einer Abgasrückführung.
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Oben
wurde beschrieben, dass die Speicherphase während eines Schubbetriebs der
Brennkraftmaschine 10 durchgeführt wird. Möglich ist aber auch, dass eine
solche Speicherphase wiederholt und sehr kurzzeitig auch im Normalbetrieb
der Brennkraftmaschine 10 durchgeführt wird, in dem bei einzelnen
Zylindern 12 während
eines Arbeitsspiels eine Zündung
absichtlich unterlassen und stattdessen während des Verdichtungstaktes
dieses Arbeitsspiels (und bei einem vollvariablen Ventiltrieb auch während des
Ausstoßtaktes)
die Ventileinrichtung 34 geöffnet und hierdurch der Druckspeicher 36 gefüllt wird.
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Eine
weitere Gelegenheit für
die Durchführung
der Speicherphase bietet sich beim Ausschalten der Brennkraftmaschine 10,
während
des Auslaufens nach einer vorangegangenen Abschaltanweisung. Unter
Umständen
genügen
nämlich
wenige Verdichtungstakte, um den Druckspeicher 36 mit einer
für einen
nachfolgenden Direktstart ausreichenden Luft- oder Kraftstoff/Luft-Gemischmenge
zu füllen.
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Bei
der oben beschriebenen Brennkraftmaschine 10 sind alle
Zylinder 12 identisch aufgebaut. Grundsätzlich denkbar ist aber auch,
nur einen Zylinder mit einer Ventileinrichtung 34 zu versehen,
durch die während
einer Speicherphase der Druckspeicher 36 gefüllt und
für einen
Direktstart das gespeicherte Fluid in den Brennraum 14 zurückgeführt werden kann.