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Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Motoren mit Fremdzündung und Direkteinspritzung (SIDI, kurz vom engl. Spark-Ignition Direct-Injection) und insbesondere Motorsteuersysteme für SIDI-Motoren.
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Hintergrund
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Motoren mit Fremdzündung und Direkteinspritzung (SIDI) umfassen eine oder mehrere Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, die Kraftstoff direkt in entsprechende Motorzylinder einspritzen. Eine Kraftstoffpumpe führt einem Kraftstoffverteilerrohr bei hohem Druck, beispielsweise 3–15 M Pascal (Pa), Kraftstoff zu. Das Kraftstoffverteilerrohr liefert den druckbeaufschlagten Kraftstoff zu den Kraftstoffeinspritzvorrichtungen. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen spritzen den Kraftstoff zu Zeitpunkten und Pulsbreiten in die Zylinder ein, die durch ein Motorsteuermodul ermittelt werden. Aus der
US 2002/0 062 813 A1 ist ein Motorstartverfahren bekannt geworden, bei dem der Motor gestartet wird, indem nur in ausgewählten Zylinder Kraftstoff eingespritzt wird, welcher von einer Niederdruckpumpe mit Druck beaufschlagt wurde.
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Zusammenfassung
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Ein Motorsteuersystem für einen Motor mit Fremdzündung und Direkteinspritzung (SIDI) umfasst ein Motorstartmodul, das ein Anlassen und Starten eines Motors detektiert. Ein Kraftstoffsteuermodul verzögert die Einspritzung von Kraftstoff während des Motoranlassens, bis der Kraftstoffdruck größer als ein vorbestimmter Kraftstoffdruck ist, verstellt die Zündzeit während des Motoranlassens auf spät und verstellt die Kraftstoffeinspritzung auf spät bis nahe dem oberen Totpunkt (OT). Ein Auslassnocken-Phasenverstellermodul verstellt nach dem Starten und nachdem der Öldruck größer als ein vorbestimmter Öldruck ist einen Auslassnocken-Phasenversteller auf spät.
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Ein Verfahren zum Steuern eines Motors mit Fremdzündung und Direkteinspritzung (SIDI) umfasst das Detektieren eines Anlassens und Startens des Motors; das Verzögern der Einspritzung von Kraftstoff während des Motoranlassens, bis der Kraftstoffdruck größer als ein vorbestimmter Kraftstoffdruck ist; das Verstellen der Zündzeit während des Motoranlassens auf spät; das Verstellen der Kraftstoffeinspritzung auf spät bis nahe dem oberen Totpunkt (OT); und das Verstellen eines Auslassnocken-Phasenverstellers auf spät nach dem Starten des Motors und nachdem der Öldruck größer als ein vorbestimmter Öldruck ist.
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Weitere Gebiete der Anwendbarkeit der vorliegenden Offenbarung gehen aus der hier nachstehend vorgesehenen eingehenden Beschreibung hervor.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Offenbarung wird anhand der eingehenden Beschreibung und der Begleitzeichnungen besser verständlich. Hierbei zeigen:
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1 ein Funktionsblockdiagramm eines SIDI-Motors mit Fremdzündung und Direkteinspritzung und eines zugehörigen Motorsteuermoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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2 ein beispielhaftes Motorsteuermodul gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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3 einen Graph, der die Kohlenwasserstoff(HC)-Konzentration als Funktion der Zeit während des Startens für verschiedene Kraftstoffpumpendrücke zeigt; und
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4 ein offenbarungsgemäßes Verfahren zum Starten eines SIDI-Motors unter Verwenden von Hochdruckkraftstoff zum Verringern von Kohlenwasserstoffemissionen.
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Eingehende Beschreibung
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Der Klarheit halber werden in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente verwendet. Der Ausdruck, mindestens eines von A, B und C', wie er hierin verwendet wird, sollte so ausgelegt werden, dass er ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht ausschließlichen logischen Oder bedeutet. Es versteht sich, dass Schritte in einem Verfahren in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung zu ändern.
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Wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff Modul auf eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, kurz vom engl. Application Specific Integrrated Circuit), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
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Die vorliegende Offenbarung reduziert Emissionen von Fahrzeugen mit SIDI-Motoren. Lediglich zum Beispiel können die hierin offenbarten Motorsteuersysteme und -verfahren bei einem Fahrzeug mit dem SIDI-Motor verwendet werden, um zum Erfüllen der SULEV-Anforderungen (Fahrzeug mit extrem niedrigen Emissionen, kurz vom engl. Super Ultra Low Emission Vehicle) beizutragen. Derzeit nutzen einige Hersteller sekundäre Luftpumpen, um die SULEV-Emissionsanforderungen zu erfüllen. Die vorliegende Offenbarung ermöglicht es Fahrzeugen mit SIDI-Motoren, strengere Emissionsnormen ohne eine sekundäre Luftpumpe zu erfüllen, was die Abgasnachbehandlungskosten verringern kann.
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Bei herkömmlichen SIDI-Motorsteuersystemen kann der Kraftstoffdruck während eines Kaltstarts relativ niedrig sein. Lediglich zum Beispiel kann der Kraftstoffdruck während Kaltstarts bei etwa 0,4 M Pascal (Pa) liegen. Der relativ niedrige Druck kann auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass die Kraftstoffpumpe keine Gelegenheit hatte, in dem Kraftstoffverteilerrohr Kraftstoffdruck aufzubauen. Der Versuch, den Motor mit dem relativ niedrigen Kraftstoffdruck zu starten, beschränkt den Zeitpunkt, zu dem Kraftstoff eingespritzt werden kann, und kann tendenziell HC-Emissionen anheben.
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Die vorliegende Offenbarung nutzt einen Hochdruckkraftstoff während des Motoranlassens. Durch Verwenden von Kraftstoff mit höherem Druck verzögert oder verstellt die vorliegende Offenbarung die Kraftstoffeinspritzung auf spät nahe dem oberen Totpunkt (OT). Die vorliegende Offenbarung verstellt auch einen Auslassnocken-Phasenversteller auf spät, nachdem ein Öldruck einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt. Der hohe Kraftstoffdruck ermöglicht eine Einspritzung von Kraftstoff nahe dem OT des Kolbens. Lediglich zum Beispiel kann nahe dem OT zwischen 60 Grad vor dem OT bis 0 Grad vor dem OT liegen.
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Unter Bezug nun auf 1 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Motors 10 mit Fremdzündung und Direkteinspritzung (SIDI) und eines zugehörigen Motorsteuermoduls 12 gezeigt. Der Motor 10 umfasst einen Zylinder 14, der einen Hubkolben 16 enthält. Ein Einlassventil 18 öffnet regelmäßig, um Ansaugluft in den Zylinder 14 einzulassen. Ein Auslassventil 20 öffnet regelmäßig, um Abgas aus dem Zylinder 14 entweichen zu lassen.
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Das Öffnen und Schließen des Auslassventils 20 wird durch einen Auslassnocken 24 gesteuert. Der Auslassnocken 24 dreht mit einer Nockenwelle 26. Die Nockenwelle 26 kann ebenfalls einen Nocken umfassen, der eine mechanische Kraftstoffpumpe 30 antreibt. Es versteht sich, dass die Kraftstoffpumpe 30 auch zahnradgetrieben, riemengetrieben oder elektrisch sein kann. Eine Nockenwellen-Riemenscheibe 32 treibt die Nockenwelle 26 an.
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Der Hubkolben 16 treibt eine Kurbelwelle 40 an. Ferner kann die Winkelstellung der Nockenwelle 26 durch einen Auslassnocken-Phasenversteller 39 im Verhältnis zur Kurbelwelle angepasst werden. Die Einlassventile 18 können in ähnlicher Weise geöffnet, geschlossen und angepasst werden. Ein Kurbelwellenzahnrad 42 dreht mit der Kurbelwelle 40. Das Kurbelwellenzahnrad 42 treibt die Nockenwellen-Riemenscheibe 32 mittels eines Riemens oder einer Kette 44 an. In manchen Ausführungsformen kann der Riemen oder die Kette 44 durch Zahnräder ersetzt sein. An der Kurbelwelle 40 ist ebenfalls ein Kurbelwellenstellungszielring 50 angebracht.
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Das Motorsteuermodul 12 erzeugt Ausgangssignale, die eine elektrische Kraftstoffpumpe 60 und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 62 steuern. Ein Kurbelwellenstellungssensor 64 erzeugt beruhend auf einer Stellung des Kurbelwellenstellungszielrings 50 ein Kurbelwellenstellungssignal. Der Kurbelwellenstellungssensor 64 übermittelt das Signal zu dem Motorsteuermodul 12.
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Das Motorsteuermodul 12 kann auch ein oder mehrere Signale von einer Kraftstoff/Luft- oder Lambda-Sonde 66 und/oder einem Kraftstofftankfüllstandssensor 70 empfangen. Die Lambda-Sonde 66 zeigt den Sauerstoffgehalt des Motorabgases an. Der Kraftstofftankfüllstandssensor 70 zeigt die Kraftstoffmenge in dem Fahrzeugkraftstofftank an. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 62 zerstäubt den Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders 14. Das Einlassventil 18 öffnet während des Ansaugtakts, um Verbrennungsluft in den Brennraum einzulassen.
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Ein Gaspedalstellungssensor 78 erfasst eine Stellung des Gaspedals 79. Eine Abgasanlage 80 nimmt Abgas von dem Motor auf. Die Abgasanlage 80 kann einen Katalysator 82 umfassen. Ein Temperatursensor 84 erfasst eine Temperatur des Katalysators 82. Alternativ kann das Steuermodul die Temperatur des Katalysators beruhend auf Motorbetriebsparametern schätzen.
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Unter Bezug nun auf 2 kann das Motorsteuermodul 12 ein Motoranlass/-startmodul 88 umfassen, das ein Anlassen und Starten des Motors detektiert. Ein Kraftstoffmodul 90 verzögert die Einspritzung von Kraftstoff während des Motoranlassens, bis der Kraftstoffdruck größer als ein vorbestimmter Kraftstoffdruck ist, und verstellt die Kraftstoffeinspritzung auf spät bis nahe dem oberen Totpunkt (OT). Nach dem Motorstarten und nachdem ein Öldruck größer als ein vorbestimmter Öldruck ist, verstellt ein Auslassnocken-Phasenverstellermodul 92 einen Auslassnocken-Phasenversteller auf spät.
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Ein Zündsteuermodul 94 verstellt die Zündung auf spät, nachdem der SIDI-Motor startet und der Öldruck größer als ein vorbestimmter Öldruck ist. Ein Motorbeharrungszustandsmodul 96 überführt das Auslassnocken-Phasenverstellermodul, das Zündsteuermodul und das Kraftstoffmodul in eine Beharrungszustandsteuerung. Lediglich zum Beispiel kann das Motorbeharrungszustandsmodul 96 zur Beharrugszustandsteuerung wechseln, nachdem die Gaspedalstellung größer als eine vorbestimmte Pedalstellung ist. Das Motorbeharrungszustandsmodul 96 kann zu der Beharrungszustandsteuerung wechseln, nachdem die Temperatur größer als eine vorbestimmte Temperatur ist. Es können andere Bedingungen oder Kombinationen von Bedingungen verwendet werden.
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Unter Bezug nun auf 3 veranschaulicht ein Graph eine verringerte HC-Konzentration gemäß der vorliegenden Offenbarung. Wenn während eines Starts Kraftstoff bei niedrigem Druck (lediglich zum Beispiel bei 0,4 M Pascal (Pa)) zugeführt wird, tritt verglichen mit Starten bei höheren Drücken gemäß der vorliegenden Offenbarung eine wesentlich höhere HC-Konzentration auf.
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Unter Bezug nun auf 4 ist ein Verfahren 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung zum Reduzieren von HC-Emission während des Startens des SIDI-Motors gezeigt. Das Verfahren beginnt bei Schritt 104. Bei Schritt 106 ermittelt die Steuerung, ob der Motor angelassen wird. Wenn Schritt 106 wahr ist, fährt die Steuerung mit Schritt 108 fort und ermittelt, ob die Motorkühlmitteltemperatur größer als ein vorbestimmter Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert TTH ist.
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Lediglich zum Beispiel kann der Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert gleich 40°C gesetzt werden, wenngleich andere Kühlmitteltemperaturwerte verwendet werden können. Wenn die Kühlmitteltemperatur größer als der vorbestimmte Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert ist, ist es wahrscheinlich, dass der Motor zuvor gelaufen und noch warm ist. Unter diesen Bedingungen kann die HC-Emission unproblematischer sein.
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Wenn Schritt 108 falsch ist, fährt die Steuerung mit Schritt 109 fort und verstellt die Zündung um einen ersten Betrag auf spät. Lediglich zum Beispiel kann der erste Betrag um bis zu 10 Grad nach dem OT auf spät verstellt werden. Die Steuerung fährt mit Schritt 110 fort und ermittelt, ob der Kraftstoffdruck größer als ein vorbestimmter Kraftstoffdruck-Schwellenwert PTH_F ist. Wenn Schritt 110 falsch ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 110 zurück. Wenn Schritt 110 wahr ist, fährt die Steuerung mit Schritt 112 fort. Bei Schritt 112 führt die Steuerung Kraftstoff bei einem hohen Druck zu. Der vorbestimmte Kraftstoffdruck-Schwellenwert PTH_F, wie er hierin verwendet wird, kann ein Wert zwischen 2–15 M Pascal (Pa) sein. Lediglich zum Beispiel kann der vorbestimmte Kraftstoffdruck-Schwellenwert PTH_F ein Wert von in etwa 2,5 bis 3,5 MPa sein. Lediglich zum Beispiel kann der vorbestimmte Kraftstoffdruck-Schwellenwert PTH_F wie in 3 gezeigt bei in etwa 3,0 MPa liegen.
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Bei Schritt 116 verstellt die Steuerung die Kraftstoffeinspritzung auf spät zu einem Punkt nahe dem OT. Wie hierin verwendet kann nahe dem OT einen Bereich zwischen 60 Grad vor dem OT bis 0 Grad vor dem OT umfassen. Bei Schritt 120 ermittelt die Steuerung, ob der Motor gestartet ist. Wenn Schritt 120 falsch ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 112 zurück. Wenn Schritt 120 wahr ist, fährt die Steuerung mit Schritt 122 fort und ermittelt, ob der Öldruck größer als ein vorbestimmter Öldruck-Schwellenwert PTH_O ist. Lediglich zum Beispiel kann der vorbestimmte Öldruck-Schwellenwert PTH_O gleich etwa 20,7 kPa (30 psi) sein. Das Erreichen des vorbestimmten Öldruck-Schwellenwerts TTH_O kann typischerweise etwa 1–4 volle Umdrehungen des SIDI-Motors dauern. Daher kann ein alternatives Vorgehen das Überwachen der Motordrehung umfassen.
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Wenn Schritt 122 falsch ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 112 zurück. Wenn Schritt 122 wahr ist, fährt die Steuerung mit Schritt 124 fort und verstellt den Auslassnocken-Phasenversteller auf spät. Lediglich zum Beispiel kann der Auslassnocken-Phasenversteller zwischen 12–24 Nockenwinkelgrad auf spät verstellt werden. Bei Schritt 126 verstellt die Steuerung die Zündung auf spät. Lediglich zum Beispiel kann die Zündung um einen zweiten Betrag auf spät verstellt werden, der größer als der erste Betrag ist. Lediglich zum Beispiel kann der zweite Betrag bei etwa 15–25 Grad nach dem OT liegen.
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Bei Schritt 128 ermittelt die Steuerung, ob der SIDI-Motor den Beharrungszustand erreicht hat. Lediglich zum Beispiel kann die Beharrungszustandsermittlung beruhend auf Katalysatortemperatur erfolgen. Lediglich zum Beispiel kann der Motor im Beharrungszustand sein, wenn die Katalysatortemperatur eine vorbestimmte Katalysatortemperatur überschritten hat. Andere Kriterien können eine Gaspedalstellung umfassen. Lediglich zum Beispiel kann sich der SIDI-Motor in dem Beharrungszustand befinden, wenn die Gaspedalstellung größer als eine vorbestimmte Stellung ist. Es können andere Bedingungen oder Kombinationen von Bedingungen verwendet werden.
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Wenn Schritt 128 wahr ist, fährt die Steuerung mit Schritt 132 fort und löst die Beharrungszustandsteuerung von Auslassnocken-Phasenversteller-Position, Zünd- und Kraftstoffeinspritzsteuerung aus. Bei Schritt 134 endet die Steuerung. Wenn Schritt 128 falsch ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 112 zurück.
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Die vorliegende Erfindung verringert die Kaltstartemission aus mehreren Gründen. Die vorliegende Erfindung erzeugt in dem Zylinder eine Kraftstoffschichtung, was es dem SIDI-Motor ermöglicht, mit einem insgesamt mageren Kraftstoff/Luft-Verhältnis (AFR) zu zünden, während ab dem allerersten Motorzündvorgang nahe der Zündkerze ein relativ fettes AFR beibehalten wird. Ein global mageres AFR während des Anlassens und Hochfahrens kann HC aus dem Motor während des Startens signifikant verringern. Der Fehlzündungsmagergrenzwert des Motors ist aufgrund der Verfügbarkeit eines fetten Kraftstoffgemisches nahe dem Zündkerzenbereich verglichen mit normalen Kraftstoffeinspritzstrategien ebenso viel magerer.
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Die vorliegende Offenbarung minimiert auch die AFR-Schwankung aufgrund von Flüchtigkeitkeitsschwankungen bei verschiedenen Kraftstoffarten. Bei einem vorgegebenen Zeit- und Temperaturbetrag verdampfen verschiedene Arten von flüssigen Kraftstoffen bei unterschiedlichen Raten, was zu einer anderen verfügbaren Kraftstoffdampfmasse führt, die zur Verbrennung beitragen kann. Da die Gastemperatur im Zylinder sehr hoch – nahe dem OT bis zu 400°C – ist, verdampft der gesamte eingespritzte flüssige Kraftstoff und trägt unabhängig von der Kraftstoffart zur Verbrennung bei.
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Ferner ermöglicht die vorliegende Offenbarung eine größere Verstellung der Zündung auf spät. Wenn die Einspritzsteuerzeiten richtig phasenverstellt sind, gibt es einen lokal fetten Bereich nahe der Zündkerze, der eine Zündverstellung auf spät ohne Fehlzündung ermöglichen würde. Ein Verstellen der Zündung auf spät verringert tendenziell die HC-Emission, da sie den Spitzendruck des Zylinders minimiert, was bedeutet, dass in den Zylinderspalten wenig HC vorhanden ist. Ein Verstellen der Zündung auf spät erzeugt auch eine merklichere Abgaswärme, was zum Katalysatoraufwärmen beitragen kann.
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Die vorliegende Offenbarung verzögert die Kraftstoffeinspritzung bis zum Erreichen des erwünschten hohen Kraftstoffdrucks. Lediglich zum Beispiel kann die Verzögerung bei etwa 0,5 s liegen. Verglichen mit normalen Strategien (beispielsweise frühe Einspritzung und Einspritzung bei niedrigem Druck) können etwa 50% des Anlass-HC mit dieser Strategie reduziert werden.
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Sobald sich der Öldruck aufgebaut hat, wird der Auslassnocken-Phasenversteller zu einer auf spät verstellten Position bewegt, um Emissionen aus dem Motor weiter zu reduzieren. Das Verstellen des Auslassnocken-Phasenverstellers auf spät verbessert die HC-Emission aus mehreren Gründen. Das Verstellen des Auslassnocken-Phasenverstellers auf spät sieht zusätzliche Zeit für das Ablaufen der Verbrennung im Zylinder vor, bevor das Auslassventil offen ist und die Flamme löscht. Dies ermöglicht wiederum ein zusätzliches Verstellen der Zündung auf spät, was wie vorstehend beschrieben das HC-Emissionsverhalten verbessert. Das Verstellen des Auslassnocken-Phasenverstellers auf spät hält mehr verbranntes Restgas zurück, das etwas HC enthält, das reoxidiert werden kann.
