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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Abgasfiltereinrichtung und wenigstens einem Arbeitszylinder, dem wenigstens je ein Einlass- und ein Auslassventil zugeordnet sind, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2005 058 281 A1 ist ein Verfahren zum Optimieren einer Schubabschaltung einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei innerhalb der Schubabschaltphase ein Schließzeitpunkt für das Einlassventil nach spät verschoben wird, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet. Auf diese Weise wird über eine geeignete Zylinder-Luftfüllung und die Anwendung stöchiometrischer Verhältnisse bei der Kraftstoffeinspritzung ein Übergangsdrehmoment vorgegeben. Dies erzielt einen weichen Übergang zwischen der Schubabschaltphase und einem Leerlauf, einem Teillast- oder einem Volllastbetrieb mit Befeuerung der Arbeitszylinder. Auf diese Weise soll der Übergang von der Schubabschaltung zurück zu einem befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine verbessert werden.
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Aus der
DE 10 2004 019 830 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs bekannt, wobei während einer Schubabschaltung die Zusammensetzung einer im Ansaugtakt über die Einlassseite anzusaugende Ansaugladung in Abhängigkeit von einer Temperatur des Abgases und/oder der Abgasanlage vorgegeben wird. Hierzu werden die Auslassseite und/oder AGR-Ventile derart gesteuert, dass die Zylinderladung teilweise über die Auslassseite bzw. die AGR-Ventile angesaugt wird. Dies soll durch einen sauerstoffarmen Abgasmassenstromanteil aus der Auslassseite und der damit verbundenen Reduktion von reaktionsfreudigem Sauerstoff im Bereich der Abgasanlage Temperaturspitzen durch unerwünschte Nachreaktionen im Bereich der Abgasanlage, insbesondere im Bereich der Abgaskatalysatoren, vermeiden. Eine Verstellung eines Schließzeitpunktes der Einlassseite ist in
DE 10 2004 019 830 A1 nicht offenbart.
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Aus der
DE 195 81 571 T1 ist eine vierventilige Diesel-Brennkraftmaschine gemäß der dortigen
1 bekannt, wobei eine erste Nockenwelle eines der Einlassventile und beide Auslassventile betätigt, während eine zweite Nockenwelle das andere Einlassventil und ebenfalls eines der beiden bereits von der anderen Nockenwellen betätigten Auslassventile in Bewegung versetzen kann. Die zweite Nockenwelle ist gemäß Beschreibung dieses Dokumentes von einer Verstelleinrichtung um einen festgelegten Winkel verdrehbar, so dass die Steuerung des von dieser Nockenwelle betätigten Einlassventils und des Auslassventils auf einen späteren Zeitpunkt verstellt wird.
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Aus der
DE 10 2006 016 739 A1 ist eine Diesel-Brennkraftmaschine mit einem variabel zu betätigenden Gaswechselventilsystem bekannt, bei welchem zur Sicherstellung eines Motorstartes der Einlassventil-Schließzeitpunkt entsprechend einem Motorbetriebszustand verstellt wird. In der der Brennkraftmaschine zugeordneten Abgasanlage ist eine Filtereinrichtung für Abgase in Form eines Katalysators vorgesehen.
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Das Dokument
DE 199 52 037 A1 offenbart einen Hubkolbenverbrennungsmotor mit Tellerventilen, bei welchem während des Schiebebetriebs die Schließzeitpunkte der Ventile derart gesteuert werden, dass Ladung in den Zylindern des Motors zurückgehalten wird. Hierdurch werden katalytische Nachbehandlungsvorrichtungen weder gekühlt noch mit Sauerstoff gesättigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine anzugeben, welches hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, Abgasemissionen und einem Bauteileschutz verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Dazu ist es bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einer der Brennkraftmaschine zugeordneten Abgasanlage enthaltend wenigstens eine Filtereinrichtung und mit wenigstens einem Arbeitszylinder, dem wenigstens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil zugeordnet ist, wobei sowohl das wenigstens eine Einlassventil und das wenigstens eine Auslassventil von einer gemeinsamer Nockenwelle betätigt werden, welcher eine Phasenverstellvorrichtung zugeordnet ist, vorgesehen, dass für den Fall, dass ein Beladungszustand der Filtereinrichtung einen vorgebbaren Wert überschreitet und die Brennkraftmaschine zeitlich nach einem Lastbetrieb in einen Schubbetrieb wechselt die Phasenverstellvorrichtung in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl der Brennkraftmaschine Schließzeitpunkte des Einlassventils und/oder Schließzeitpunkte des Auslassventils derart verschiebt, dass ein Liefergrad der Brennkraftmaschine verringert wird.
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Der dimensionslose Liefergrad einer Brennkraftmaschine ist derart definiert, dass er sich aus dem Quotienten des tatsächlichen, geometrischen Hubvolumens und der tatsächlich im aktuellen Betriebspunkt angesaugten Luftmasse ergibt. Im Idealfall ist der Liefergrad daher 1, bei bestimmten Aufladeeffekten kann er sogar größer als 1 sein, in der Regel ist er jedoch in weiten Betriebsbereichen in der Größenordnung zwischen 0,7 und 0,95.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die durch die Abgasanlage der Brennkraftmaschine strömende, sauerstoffreiche Frischgasmenge während des Schubbetriebes deutlich reduziert wird, so dass beispielsweise ein unkontrollierter Abbrand von z. B. Ruß in der Filtereinrichtung sehr wirksam jedoch auf einfache Weise verhindert wird, wodurch unzulässig hohe Temperaturen in der Abgasanlage und der Filtereinrichtung vermieden werden, was einem Bauteilschutz gleichkommt. Dieses wird dadurch erreicht, dass falls der Beladungszustand der Filtereinrichtung bereits hoch ist in einer solchen Schubbetriebsphase die Schließzeitpunkte der Einlass- bzw. Auslassventile von der Phasenverstellvorrichtung so verschoben werden, dass der Liefergrad in Richtung niedrigerer Werte verringert wird.
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In vorteilhafter Ausgestaltung wird für die hier vorgesehene Brennkraftmaschine mit einer nicht sortenreinen Nockenwelle, d. h. einer Nockenwelle auf welcher Nocken sowohl Einlass- als auch Auslassventile betätigen, dass wenigstens eine Einlassventil in einem ersten Drehzahlbereich unterhalb einer Grenzdrehzahl nach spät verschoben und in einem zweiten Drehzahlbereich der sich oberhalb des erstgenannten Drehzahlbereiches anschließt, nach früh verschoben wird.
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Diese Auslegung berücksichtigt in Liefergrad senkender Weise die Tatsache, dass wenn beispielsweise aus einem Volllastbetrieb oder einem volllastnahen Betrieb, d. h. bei relativ hohen Drehzahlen, in einen Schubbetrieb gewechselt wird, für die Liefergradreduktion eher ein frühes Auslassventilschließen gasdynamisch relevant ist, während bei dem Wechsel in einen Schubbetrieb während eines mittleren oder niedrigeren Drehzahlbereiches gasdynamisch eher das späte Einlassventilschließen liefergradsenkend ist.
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Die Verstellwege in ° Kurbelwinkel der Phasenverstellvorrichtung sind als relative Verstellwinkel zu betrachten, da sich diese Verstellung immer zusätzlich zu der absoluten, fixen Phasenlage der Nocken auf der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle ergibt. Hierbei haben sich besonders vorteilhafte Verhältnisse eingestellt, wenn der Schließzeitpunkt für das wenigstens eine Einlassventil um 0°KW bis 90°KW verstellt wird, vorzugsweise um 40°KW bis 60°KW, insbesondere 45°KW bis 50°KW. Bei einer Verstellung um 45°KW kann dann beispielsweise die früheste Spätstellung bezogen auf einen unteren Totpunkt (UT) 15° betragen, während die späteste Spätstellung bezogen auf diesen UT bei 60°KW liegt.
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In bestimmten Betriebsbereichen bzw. Fahrsituationen kann eine weitere Optimierung des momentanen Liefergrades dadurch erreicht werden, dass der Schließzeitpunkt für das wenigstens eine Einlassventil umso mehr nach spät verstellt wird, je niedriger die Drehzahl der Brennkraftmaschine während des Schubbetriebes abfällt.
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Der erfindungsgemäß dargestellte Millercycle zur Luftmassenreduktion in der Abgasanlage in Nulllastphasen oder Phasen nahe Nulllast ermöglicht somit in Kombination mit der Phasenverstellvorrichtung bei einer gemischten Nockenanordnung einen Schutz eines Dieselpartikelfilters, insbesondere bei hoher Partikelbeladung.
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Russ- bzw. Dieselpartikelfilter werden zur nahezu vollständigen Filterung des Abgases von Russpartikeln eingesetzt. Für eine sichere Funktion und zum Schutz des Bauteils selbst muss die Beladung des Filters kontrolliert und eine rechzeitige Regeneration des Russpartikelfilters eingeleitet werden. Hierbei darf die Beladung nicht zu hoch werden, damit beim Abbrand des Rußes während der Regenration keine kritischen Temperaturen im Filter überschritten werden. Ein kritischer Fall ist dabei eine hohe Beladung des Russpartikelfilters in Volllastphasen mit anschließendem Schubbetrieb, wie beispielsweise bei einem Ausrollen auf der Autobahn. Hier führt die hohe Bauteiltemperatur mit anschließendem Durchströmen von stark sauerstoffhaltigem Frischgas zu einem unkontrollierten Russabbrand mit entsprechender thermischer Belastung des Russpartikelfilters. In Abhängigkeit von der Beladung werden dabei innerhalb weniger Sekunden sehr hohe Temperaturen erreicht.
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Ohne das erfindungsgemäß Verfahren muss bereits bei einem geringeren Beladungszustand der Filtereinrichtung damit gerechnet werden, dass aufgrund des hohen Luftüberschusses in der Abgasanlage in Schubphasen Temperaturspitzen auftreten, die der Abgasanlage schädlich sein können. Dieses konnte bisher nur dadurch bekämpft werden, dass die Partikelfilterregeneration häufiger durchgeführt wurde. Durch die hier vorgeschlagene Vertrimmung der Einlass- bzw. Auslasssteuerzeiten wird die Frischluftzufuhr gezielt stark reduziert, so dass Regenerationsintervalle deutlich verlängert werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Diese zeigt in
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1 eine schematische Darstellung einer Nockenwellenanordnung zum erfindungsgemäßen Betreiben einer Brennkraftmaschine,
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2 eine graphische Darstellung der Ventilbewegung von Einlass- und Auslassventilen der verschiedenen Nockenwellen und der Kolbenbewegung bei einem Verstellwinkel von 0°KW,
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3 eine graphische Darstellung der Ventilbewegung von Einlass- und Auslassventilen der verschiedenen Nockenwellen und der Kolbenbewegung bei maximaler Verstellung in Richtung Früh und
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4 eine graphische Darstellung der Ventilbewegung von Einlass- und Auslassventilen der verschiedenen Nockenwellen und der Kolbenbewegung bei maximaler Verstellung in Richtung Spät und
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5 eine grafische Darstellung des Liefergrades für verschiedene Lastpunkte und Verstellungen des Schließzeitpunktes der Einlassventile in Abhängigkeit von einer Drehzahl.
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In einer bevorzugten Ausführungsform einer hier nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, welcher nicht näher dargestellte Arbeitszylinder begrenzt, oszillieren jeweils Hubkolben (nicht dargestellt) in diesen Arbeitszylindern. Der Zylinderkopf weist eine Einlassseite auf, an welche den Arbeitszylindern Frischgas zugeführt wird und eine Auslassseite auf, an der Abgase einer Abgasanlage, enthaltend eine Filtereinrichtung, abgeführt werden.
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Jedem Arbeitszylinder sind zwei Einlassventile (nicht dargestellt) und zwei Auslassventile (nicht dargestellt) zugeordnet, wobei eine erste Nockenwelle 16 und eine zweite Nockenwelle 18 vorgesehen sind. Die erste Nockwelle 16 trägt Einlassnocken 20, die jeweils ein Einlassventil betätigen, und Auslassnocken 22, die jeweils ein Auslassventil betätigen. Ebenso trägt die zweite Nockenwelle 18 Einlassnocken 24, die jeweils ein Einlassventil betätigen, und Auslassnocken 26, die jeweils ein Auslassventil betätigen. Auf beiden Nockenwellen 16, 18 wechseln sich in Längsrichtung gesehen jeweils Einlassnocken 20, 24 und Auslassnocken 22, 26 ab. Auf diese Weise werden die beiden Einlassventile und Auslassventile eines jeden Arbeitszylinders von verschiedenen Nockenwellen 16, 18 betätigt. Wie insbesondere aus 1 hervorgeht, ist somit jede der Nockenwellen 16, 18 eine so genannte gemischte Nockenwelle, d. h. jede Nockenwelle 16, 18 betätigt sowohl Einlass- als auch Auslassventile über entsprechende Einlassnocken 20, 24 bzw. Auslassnocken 22, 26.
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Unabhängig von der Anzahl der jedem Arbeitszylinder zugeordneten Anzahl von Gaswechselventilen werden immer alle Gaswechselventile in ihrer Gesamtheit von den zwei Nockenwellen betätigt.
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Die Steuerzeiten der ersten Nockenwelle 16 für die dieser zugeordneten Einlass- und Auslassventile sind unveränderbar festgelegt. An der zweiten Nockenwelle 18 ist eine Phasenverstellvorrichtung 28 angeordnet, welcher die Steuerzeiten der dieser zugeordneten Einlass- und Auslassventile gegenüber den Steuerzeiten der ersten Nockenwelle 16 verändert, indem die zweite Nockenwelle 18 durch die Phasenverstellvorrichtung 28 relativ zur ersten Nockenwelle 16 verdreht wird. Die erste Nockenwelle 16 ist diejenige Nockenwelle, die bei 30 von einer nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Die erste Nockenwelle 16 treibt dann ihrerseits über Zahnräder 32 die zweite Nockenwelle 18 an.
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In den 2 bis 4 ist auf einer horizontalen Achse 34 ein Kurbelwinkel und auf einer vertikalen Achse 36 eine Hubbewegung aufgetragen. Auf der horizontalen Achse 34 ist bei 38 ein unterer Totpunkt (UT) des Hubkolbens vor dem Ladungswechsel, bei 40 ein oberer Totpunkt (OT) des Hubkolbens während des Ladungswechsels und bei 42 ein unterer Totpunkt (UT) des Hubkolbens nach dem Ladungswechsel aufgetragen. Ein erster Graph 44 veranschaulicht die Hubbewegung 36 über den Kurbelwinkel 34 für den Kolben, ein zweiter Graph 46 veranschaulicht die Hubbewegung 36 über den Kurbelwinkel 34 für diejenigen Auslassventile, die von den Auslassnocken 22 der ersten Nockenwelle 16 gesteuert werden, ein dritter Graph 48 (gestrichelt) veranschaulicht die Hubbewegung 36 über den Kurbelwinkel 34 für diejenigen Auslassventile, die von den Auslassnocken 26 der zweiten Nockenwelle 18 gesteuert werden, ein vierter Graph 50 veranschaulicht die Hubbewegung 36 über den Kurbelwinkel 34 für diejenigen Einlassventile, die von den Einlassnocken 20 der ersten Nockenwelle 16 gesteuert werden und ein fünfter Graph 52 (gestrichelt) veranschaulicht die Hubbewegung 36 über den Kurbelwinkel 34 für diejenigen Einlassventile, die von den Einlassnocken 24 der zweiten Nockenwelle 18 gesteuert werden.
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In 2 ist eine Stellung des Verstellers 28 mit 0°KW dargestellt, d. h. die Nockenwellen 16, 18 sind nicht gegeneinander verdreht. In 3 ist eine Stellung des Verstellers bei maximaler Verstellung in Richtung Spät und in 4 ist eine Stellung des Verstellers bei maximaler Verstellung in Richtung Früh dargestellt. Wie aus den 2 bis 4 unmittelbar ersichtlich, bleibt die Hubbewegung der Ventile der ersten Nockenwelle 16 (zweiter Graph 46 und vierter Graph 50) relativ zur Kurbelwelle unverändert, wohingegen die Hubbewegung der Ventile der zweiten Nockenwelle 18 (dritter Graph 48 und fünfter Graph 52 jeweils gestrichelt) gemeinsam für die zugeordneten Einlassventile und Auslassventile verschoben werden. Hierdurch kann einerseits durch die verschobenen Öffnungszeiten zwischen den Einlassventilen der ersten Nockenwelle 16 (Einlassnocken 20; vierter Graph 50) und den Einlassventilen der zweiten Nockenwelle 18 (Einlassnocken 24; fünfter Graph 52) ein Millereffekt simuliert werden (2), wobei andererseits eine Kollision zwischen den Einlassventilen und dem Hubkolben verhindert ist.
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Vorzugsweise sind für dieses simulierte Millern mindestens zwei Einlassventile pro Arbeitszylinder vorhanden und jeweils ein, vorzugsweise zwei Auslassventile pro Arbeitszylinder, wobei die Einlassventile eines jeden Arbeitszylinders von verschiedenen Nockenwellen betätigt werden. Hierbei bedient eine Nockenwelle 16 die Hälfte aller Ein- und Auslassventile mit konventionellen Steuerzeiten. Die zweite Nockenwelle 18 bedient die verbleibenden Ein- und Auslassventile und ist hinsichtlich der Nockenkontur für ”Auslassventil schließt” und ”Einlassventil öffnet” so ausgelegt, dass ein Verstellbereich dieser Nockenwelle 18 von ca. 60°KW +/– 20° ohne Kolbenkollision stattfinden kann.
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Der Millereffekt wird dadurch erzielt, dass das früheste ”Einlassventil öffnet” der einen Nockenwelle 16 und das späteste ”Einlassventil schließt” der anderen Nockenwelle 18 unterschiedlichen Ventilen für jeden Arbeitszylinder zugeordnet ist, vgl. 4.
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Die erste Nockenwelle 16 hat ein ES bei ca. = UT 42, um das maximale Verdichtungsverhältnis bei Frühverstellung der zweiten Nockenwelle 18 zu erzielen. Alternativ zu der in 3 dargestellten Situation bei 0°-Verstellung des Verstellers 28 kann auch dies als 0° Position für die zweite Nockenwelle 18 betrachtet werden, so dass dann nur noch eine Spätverstellung erfolgt. Wichtig ist aber in jedem Fall, dass der Einlassnocken von der ersten Nockenwelle 16 im Vergleich zu beispielsweise bei Dieselmotoren üblichem ES bei ca. 10°–25°KW nach UT derart gekürzt ist, dass die UT Position ES durch beide Nocken erzielt werden kann.
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In 5 ist auf einer horizontalen Achse 60 eine Drehzahl in [1/min] und auf einer vertikalen Achse 62 ein Liefergrad aufgetragen. Ein erster Graph 64 veranschaulicht den Liefergrad 62 in Abhängigkeit von der Drehzahl 60 bei Volllast mit liefergradoptimaler Einstellung der Einlassventile und einer Spätverstellung von 0°KW. Ein zweiter Graph 66 veranschaulicht den Liefergrad 62 in Abhängigkeit von der Drehzahl 60 bei Volllast mit einer Spätverstellung der Einlassventile von 15°KW. Ein dritter Graph 68 veranschaulicht den Liefergrad 62 in Abhängigkeit von der Drehzahl 60 bei Nulllast mit einer Spätverstellung der Einlassventile von 0°KW. Ein vierter Graph 70 veranschaulicht den Liefergrad 62 in Abhängigkeit von der Drehzahl 60 bei Nulllast mit einer Spätverstellung der Einlassventile von 45°KW.
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Wie aus 5 ersichtlich, führt ein überhöhtes Spätverstellen, beispielsweise um 45°KW bei vergleichsweise niedrigen Drehzahlen – Graph 70 – oder eine vergleichsweise frühe Phasenlage, um ca. 15°KW verstellt, bei hohen Drehzahlen – Graph 68 – zu einer deutlichen Liefergradreduktion. Die verringerte Frischgaszufuhr verlangsamt bzw. kontrolliert den Russabbrand. So können kritische Temperaturen vermieden bzw. die zulässige Beladung des Russpartikelfilters erhöht und damit die Regenerationsintervalle verlängert werden.
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Wie aus dem Verlauf der Graphen 68 und 70 ersichtlich ist, stellt sich eine brennkraftmaschinenspezifische Grenzdrehzahl 72 ein, wobei es je nach aktueller Drehzahl der Brennkraftmaschine beim Übergang in den Schubbetrieb oder den schubbetriebsnahen Bereich günstiger für eine Liefergradverschlechterung ist entlang des Graphen 70 zu verstellen, d. h. das Einlassventilschließen nach spät zu verschieben, während sich in einem Drehzahlbereich oberhalb der Grenzdrehzahl 72 eine Verstellung entlang des Graphen 68 günstiger auf die Liefergradverschlechterung auswirkt. Hierbei wird oberhalb der Grenzdrehzahl 72 auf ein frühes Auslassventilschließen abgestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird dann nicht durchgeführt, wenn der Beladungszustand der Filtereinrichtung einwandfrei ist, d. h. eine Regeneration nicht durchzuführen ist. Überschreitet der Beladungszustand z. B. einen absoluten Gewichtswert von 3 Gramm, so wird das erfindungsgemäße Verfahren ausgelöst. Der vorgebbare Wert, ab welchem das Verfahren ausgelöst wird, kann aus einem Beladungsmodell errechnet werden, wobei jedoch auch eine Kombination aus einem berechnenden Beladungsmodell in Verbindung mit Differenzdrucksensoren stromauf und stromab der Filtereinrichtung zur Anwendung kommen kann.