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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein Fahrzeuge, insbesondere Fahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zum Steuern von Verbrennungsmotoren, Steuervorrichtungen zur Durchführung derartiger Verfahren und Verbrennungsmotoren mit derartigen Steuervorrichtungen.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 102 58 872 A1 ist ein mehrzylindriger Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug bekannt, dessen Verdichtungsverhältnis variabel ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung, insbesondere eine Recheneinheit, ein Verbrennungsmotor und ein Computerprogramm gemäß dem nebengeordneten Anspruch angegeben.
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Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors mit wenigstens einem ersten Zylinder und einem zweiten Zylinder, den Schritt Betreiben des ersten Zylinders mit einem ersten Verdichtungsverhältnis, das von einem zweiten Verdichtungsverhältnis des zweiten Zylinders verschieden ist.
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Dem obigen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass das Verdichtungsverhältnis einen zentralen Stellhebel für den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors darstellt. Dies ist beispielsweise anhand eines idealen Gleichraumprozesses ersichtlich, der beispielsweise als Vergleichsprozess für einen Ottomotor herangezogen werden kann und eine vereinfachte Abbildung der relevanten Zusammenhänge darstellt. In dem Gleichraumprozess stellt das Verdichtungsverhältnis neben den Stoffeigenschaften des Arbeitsmediums die einzige Variable für den thermischen Wirkungsgrad dar. Der thermische Wirkungsgrad wird durch die folgende Formel in an sich bekannter Weise beschrieben:
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Dabei beschreiben T1 und T2 die Gastemperatur in einem Zylinder des Verbrennungsmotors entsprechend bei Kompressionsstart und Kompressionsende, ε das Verdichtungsverhältnis und κ die Stoffeigenschaften des Arbeitsmediums. Es ist unmittelbar ersichtlich, dass der thermische Wirkungsgrad mit einem steigenden Verdichtungsverhältnis ε zunimmt. Das Verdichtungsverhältnis stellt das Brennkammervolumen in den Zylindern bei Kompressionsstart dem Brennkammervolumen in den Zylindern bei Kompressionsende gegenüber.
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Ein hohes Verdichtungsverhältnis führt damit, wie aus der obigen Formel zu erkennen ist, zu einer hohen Kompressionsendtemperatur, wobei Wärmeverluste in den Zylindern direkt abhängig von der Höhe der Kompressionsendtemperatur sind:
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Ein steigendes Verdichtungsverhältnis ε erhöht daher zwar den thermischen Wirkungsgrad, ein sinkendes Verdichtungsverhältnis ε senkt jedoch die Wärmeverluste.
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Werden in einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern einzelne Zylinder an unterschiedlichen Lastpunkten betrieben, um beispielsweise Kraftstoff zu sparen, ist ein hoher thermischer Wirkungsgrad und damit ein hohes Verdichtungsverhältnis ε eigentlich nur in den Zylindern des Verbrennungsmotors notwendig, die aktiv an der Erzeugung der mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors teilnehmen. Die obige Überlegung zugrunde gelegt, würde ein entsprechend hohes Verdichtungsverhältnis ε bei den anderen, auf niedrigeren Lastpunkten betriebenen Zylindern eigentlich nur unnötig zu Wärmeverlusten führen. Daher wird im Rahmen des obigen Verfahrens vorgeschlagen, in dem Verbrennungsmotor das Verdichtungsverhältnis ε jedes einzelnen Zylinders abhängig von seinem Lastpunkt zu wählen.
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In einer Ausführungsform des obigen Verfahrens wird der erste Zylinder befeuert, während der zweite Zylinder abgeschaltet ist und durch den ersten Zylinder geschleppt wird. Auf diese Weise lässt sich in einem Teillastbereich des Verbrennungsmotors eine Lastanhebung der befeuerten Zylinder und eine Reduktion der Ladungswechselverluste erreichen, wodurch sich Kraftstoff beim Betrieb des Verbrennungsmotors im Teillastbereich einsparen lässt.
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In einer besonderen Ausführungsform des obigen Verfahrens wird der geschleppte zweite Zylinder mit einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis betrieben, als der befeuerte erste Zylinder. Auf diese Weise wird in den befeuerten Zylindern im Teillastbereich des Verbrennungsmotors der thermische Wirkungsgrad gesteigert, während in den geschleppten Zylindern die thermischen Verluste reduziert werden können. Darüber hinaus lassen sich während eines Abschaltvorgangs des geschleppten Zylinders Zylinderdruckspitzen vermeiden, was eine spürbare Komforterhöhung beim Einsatz des Verbrennungsmotors beispielsweise in einem Fahrzeug darstellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des obigen Verfahren ist das niedrigere Verdichtungsverhältnis um 20% bis 40%, vorzugsweise 25% bis 35%, besonders bevorzugt 30% niedriger, als das Verdichtungsverhältnis des ersten Zylinders. Wird beispielsweise in einem Vierzylindermotor mit Halbmotorbetrieb auf einem Betriebspunkt von 2000 U/min und 2 bar effektivem Mitteldruck ein Verdichtungsverhältnis von 13:1 für die befeuerten Zylinder und ein Verdichtungsverhältnis von 9:1 für die geschleppten Zylinder gewählt, so kann eine Kraftstoffeinsparung von etwa 2,5% gegenüber dem Fall erreicht werden, dass alle Zylinder mit einem gleichen Verdichtungsverhältnis von etwa 11:1 betrieben werden.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst das obige Verfahren den Schritt des Erhöhens des Verdichtungsverhältnisses des geschleppten Zylinders, wenn der geschleppte Zylinder befeuert wird. Auf diese Weise kann zwischen dem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors und einem Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors umgeschaltet werden. In gleicher Weise kann das Verdichtungsverhältnis des befeuerten Zylinders bei der Einschaltung des zweiten Zylinders, also beim Start der Befeuerung des zweiten Zylinders, gesenkt werden. Besonders bevorzugt werden die Verdichtungsverhältnisse dabei auf einen gemeinsamen Wert gesetzt.
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In einer bevorzugen Ausführungsform des obigen Verfahrens sind das erste Verdichtungsverhältnis und das zweite Verdichtungsverhältnis fest vorgegebene Werte.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Füllen des zweiten Zylinders mit Abgas. Dieser Ausführungsform des obigen Verfahrens liegt die Überlegung zugrunde, dass sich der geschleppte Zylinder nach und nach abkühlt, und beim Wiederbetrieb erst aufgewärmt werden müsste. Aus diesem Grund müsste der geschleppte Zylinder zumindest in regelmäßigen Abständen befeuert werden, um einen allzu hohen Wärmeverlust zu vermeiden. Durch die Befüllung mit (heißem) Abgas kann das Abkühlen zumindest verzögert und die regelmäßige Befeuerung der geschleppten Zylinder hinausgezögert werden. Zudem kann ein Anfetten des geschleppten Zylinders beim Wiederanschalten dieses vermieden werden, was letztendlich zu einer weiteren Reduktion im Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors führt. Die Betriebsart, einer Füllung der geschleppten Zylinder mit Restgas, kann besonders bei einem niedrigen Verdichtungsverhältnis von 20% bis 40%, vorzugsweise 25% bis 35%, eingesetzt werden, da dadurch der Spitzendruck gesenkt wird, welcher durch die Füllung mit heißem Abgas entsteht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung, insbesondere Recheneinheit, zum Steuern eines Verbrennungsmotors mit wenigstens einem ersten Zylinder und einem zweiten Zylinder eingerichtet, den ersten Zylinder mit einem ersten Verdichtungsverhältnis, das von einem zweiten Verdichtungsverhältnis des zweiten Zylinders verschieden ist zu betreiben.
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In einer Weiterbildung der angegebenen Steuervorrichtung weist die angegebene Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist ein angegebenes Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Programmcodemittel, um alle Schritte eines der angegebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer der angegebenen Vorrichtungen ausgeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Computerprogrammprodukt einen Programmcode, der auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, eines der angegebenen Verfahren durchführt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verbrennungsmotor eine angegebene Steuervorrichtung.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors;
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2 eines Zylinders des Verbrennungsmotors aus 1; und
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3 ein Diagramm mit zeitlichen Verlauf von Verdichtungsverhältnissen in zwei der Zylinder aus dem Verbrennungsmotor aus 1.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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In den Figuren werden Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 2 zeigt.
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Der Verbrennungsmotor 2 weist einen Ansaugtrakt 4 mit einer Drosselklappe 6 auf, über die durch eine noch zu beschreibende Steuervorrichtung 8 kontrolliert Frischluft 10 angesaugt wird. Die Drosselklappe 6 wird dabei von der Steuervorrichtung 8 über ein Drosselklappensteuersignal 9 angesteuert. Die Frischluft 10 wird mit einem rückgeführten Abgas 12 aus einem Abgasrückführungskanal 14 vermischt und mehreren Zylindern 16, 18, 20, 22 zur Verbrennung eines nicht weiter dargestellten Kraftstoffes zugeführt.
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Aus den Zylindern 16, 18, 20, 22 wird nach der Verbrennung ein Abgas 24 ausgestoßen, von dem ein Teil als rückgeführtes Abgas 12 über einen Abgasrückführkanal 26 wie oben erwähnt zur Frischluft 10 zurückgeführt wird. Der Rest des Abgases 12 wird dann über einen Auspuff 27 an die Umwelt ausgestoßen.
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Im Abgasrückführkanal 26 ist ein durch die Steuervorrichtung 8 gesteuertes Abgasrückführventil 28 sowie eine Kühlvorrichtung 30 vorhanden, die die Menge des rückgeführten Abgases 12 einstellen und es kühlen. Die Steuervorrichtung 8 ist dabei eingerichtet, das Abgasrückführventil 28 über ein Abgassteuersignal 31 zu steuern. Ferner kann die Kühlvorrichtung 30 im Abgasrückführkanal 26 über einen Bypasspfad 32 durch ein Bypassventil 34 gesteuert überbrückt werden. Das Bypassventil 32 kann dabei in einer nicht weiter dargestellten Weise ebenfalls durch die Steuervorrichtung 8 gesteuert werden.
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Durch die Verbrennung des Kraftstoffes und der Frischluft 10 zum Abgas 24 erzeugt der Verbrennungsmotor 2 ein Drehmoment 34 und treibt damit eine mechanische Last 36 an, die in der vorliegenden Ausführung beispielhaft das Rad eines nicht weiter dargestellten Fahrzeuges sein soll.
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In der vorliegenden Ausführung ist die Steuervorrichtung 8 eingerichtet, die einzelnen Zylinder 16 bis 22 über entsprechende Zylindersteuersignale 38, 40, 42, 44 zu steuern und abzuschalten. Normalerweise entfaltet der Verbrennungsmotor 2 seinen optimalen Wirkungsgrad ab einer bestimmten Höhe des Drehmoments 34. Erreicht das Drehmoment 34 diese Höhe jedoch nicht, wird der Verbrennungsmotor 2 im sogenannten Teillastbereich betrieben. Um den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 2 im Teillastbereich dennoch zu steigern und den Kraftstoffverbrauch zu senken, kann die Steuervorrichtung 2 über die Zylindersteuersignale 38 bis 44 einzelne Zylinder 16 bis 22 abschalten und so ein höheres Drehmoment 34 durch die verbleibenden Zylinder 16 bis 22 erzeugen lassen.
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Nachstehend soll angenommen werden, dass der erste und dritte Zylinder 16, 20 im Teillastbereich befeuert und der zweite und vierte Zylinder 18, 22 abgeschaltet werden. In der vorliegenden Ausführung sollen dabei die abgeschalteten Zylinder 18, 22 mit einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis betrieben werden, als die befeuerten Zylinder 16, 20.
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Dazu wird zunächst auf 2 Bezug genommen, die beispielhaft den zweiten Zylinder 16 des Verbrennungsmotors aus 1 zeigt. Die anderen Zylinder 18 bis 22 sind in analoger Weise aufgebaut.
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Jeder der Zylinder 18 bis 22 weist wie der gezeigte zweite Zylinder 18 ein Zylindergehäuse 46 auf, in dem ein beweglicher Kolben 48 in an sich bekannter Weise einen Brennraum 50 abdichtet. Durch die oben genannte Verbrennung der Frischluft 10 und des Kraftstoffes zum Abgas 24 wird der Kolben 48 in an sich bekannter Weise in linearer Richtung zwischen einem oberen Totpunkt 52 und einem unteren Totpunkt 54 bewegt. Im unteren Totpunkt 54 wird in den Brennraum 50 in an sich bekannter Weise die Frischluft 10 eingefüllt. Der Kolben 48 bewegt sich dann zum oberen Totpunkt 52 und verdichtet dabei die eingefüllte Frischluft 10 mit einem Verdichtungsverhältnis, welches durch das Volumen in der Brennkammer im unteren Totpunkt 54, geteilt durch das Volumen der Brennkammer im oberen Totpunkt 52 bestimmt ist. Befindet sich der Kolben 48 im Bereich des oberen Totpunktes 52, wird der Kraftstoff in der Frischluft 10 gezündet, wodurch der Kolben 48 wieder in Richtung des unteren Totpunktes 54 gedrückt wird.
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Die lineare Bewegung des Kolbens 48 wird über einen Pleuel 56 in eine rotatorische Bewegung einer Kurbelwelle 58 umgewandelt, die in einem Hauptlager 60 drehbar gelagert ist. Ein Pfeil 62 zeigt dabei den Drehsinn der Kurbelwelle 58 an.
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Anders als in den befeuerten Zylindern 16, 20 wird im abgeschalteten zweiten Zylinder 18 im Bereich des oberen Totpunktes 52 kein Kraftstoff verbrannt. Über die Kurbelwelle 58 wird der Kolben 48 des zweiten Zylinders 18 jedoch geschleppt und verdichtet dadurch dennoch Frischluft 10. Durch die Verdichtung wird die Frischluft 10 im zweiten Zylinder 18 erhitzt, wobei ein Teil der erzeugten Wärme über die Wandung des Zylindergehäuses 46 entweichen kann. Dies senkt den thermischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 2, weshalb die Erwärmung der Frischluft 10 vermieden werden sollte. Hier soll im Rahmen der Ausführung angesetzt werden, indem das Verdichtungsverhältnis des abgeschalteten zweiten Zylinders 18 in der oben genannten Weise gesenkt wird. Dazu muss die Verdichtung in der Brennkammer 50 variabel einstellbar sein. Dies wird in der vorliegenden Ausführung dadurch ermöglicht, dass das Hauptlager 60 der Kurbelwelle 22 nicht ortsfest zum Zylindergehäuse 46, sondern in einem Exzenterring 64 gelagert ist, der sich im Zylindergehäuse 46 drehen kann. Das Hauptlager 60 der Kurbelwelle 58 ist dabei zu einer nicht weiter dargestellten Rotationsachse des Exzenterrings 64 exzentrisch angeordnet.
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Der Exzenterring 64 kann in der vorliegenden Ausführung über einen von der Steuervorrichtung 8 gesteuerten Elektromotor 66 gedreht werden. Dabei verlagert sich das Hauptlager 60 relativ zum Zylindergehäuse 46. Durch die Drehung des Exzenterrings 64 kann das Hauptlager 60 zwischen einer vom Kolben 48 aus gesehenen tiefstmöglichen Stellung 68 und einer höchstmöglichen Stellung 70 hin- und herbewegt werden. Durch die Bewegung des Hauptlagers 60 können über die Kurbelwelle 58 und den Pleuel 56 der obere Totpunkt 52 und der untere Totpunkt 54 des Kolbens 48 zwischen einer tiefstmöglichen Stellung 68 und einer höchstmöglichen Stellung 70 verändert werden. Innerhalb dieses Hubweges 72 kann der obere Totpunkt 52 und der untere Totpunkt 54 des Kolbens 48 jeden beliebigen Wert annehmen.
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Um das Verdichtungsverhältnis des zweiten Kolbens 18 gegenüber den befeuerten Kolben 16, 20 zu senken, wird der Exzenterring 64 des zweiten Kolbens 18 auf eine Position gedreht bei der sich der obere und untere Totpunkt 52, 54 auf einer niedrigeren Position befinden, als in den befeuerten Kolben 16, 20. Auf diese Weise wird die Frischluft 10 im zweiten Kolben mit einem geringeren Verdichtungsverhältnis verdichtet, als in den befeuerten Kolben 16, 20, so dass weniger Kompressionswärme bei der Verdichtung entsteht und der zweite Kolben 18 somit weniger Verlustwärme erzeugt.
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Durch die geringere Kompressionswärme kühlt sich der zweite Zylinder 20 im durch die befeuerten Zylinder 16, 20 geschleppten Zustand allmählich ab. Um dies zu verhindern kann der zweite Zylinder 20 statt mit Frischluft 10 mit dem heißen Abgas 12 aus den befeuerten Zylindern 16, 20 befüllt werden, um die Abkühlung zumindest hinauszuzögern und den zweiten Zylinder 18 betriebsbereit zu halten.
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Es wird auf 3 Bezug genommen, die ein Diagramm mit den Verdichtungsverhältnissen 74 im ersten und zweiten Zylinder 16, 18 aus dem Verbrennungsmotor 2 aus 1 über die Zeit 76 zeigt.
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Wird zu einem ersten Zeitpunkt 78 der zweite Zylinder 18 abgeschaltet, kann sein Verdichtungsverhältnis 74 in der oben genannten Weise auf einen ersten Wert 80 gesenkt werden, der von einem zweiten Wert 82 vor der Abschaltung verschieden ist.
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In gleicher Weise kann das Verdichtungsverhältnis 74 des ersten Zylinders 16 auf einen dritten Wert 84 erhöht werden, der vom zweiten Wert 82 vor der Abschaltung ebenfalls verschieden ist.
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Auf diese Weise wird im ersten Zylinder 16 der thermische Wirkungsgrad gesteigert, während im zweiten Zylinder 18 die thermischen Verluste gesenkt werden können.
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Wird der zweite Zylinder 18 zu einem zweiten Zeitpunkt 86 wieder eingeschaltet, können die Verdichtungsverhältnisse 74 wieder auf den zweiten Wert 82 aneinander angeglichen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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