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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine.
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Zum Betrieb mit mindestens zwei Brennstoffen eingerichtete Brennkraftmaschinen, insbesondere „Dual Fuel“- und „BiFuel“-Brennkraftmaschinen, weisen in einem unteren Kennfeldbereich sehr hohe Emissionswerte, insbesondere von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, nämlich sogenannte THC(„Total HydroCarbon“)-Emissionen auf. Ursache hierfür ist, dass diese Brennkraftmaschinen normalerweise über kein Stellorgan, beispielsweise eine Drosselklappe, zur Beeinflussung einer einem Brennraum zugeführten Luftmasse verfügen. Dementsprechend werden sie im unteren Kennfeldbereich mit einem sehr hohen Luftverhältnis (λ-Wert) betrieben, das zu einer unvollständigen Verbrennung und somit zu einem hohen Kohlenwasserstoffschlupf führt. Der λ-Wert liegt in diesen Betriebspunkten in der Regel bei ungefähr 5. Im Stand der Technik wurde versucht, dieses Problem durch Verbau einer Drosselklappe zur Ansaugluftdrosselung im Leerlaufbetrieb zu beheben. Nachteiligerweise müssen dabei aber Wirkungsgradeinbußen in Kauf genommen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei insbesondere die oben genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer zum Betrieb mit mindestens zwei Brennstoffen eingerichteten Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Brennraum, dem mindestens ein variabel einstellbares Einlassventil zugeordnet ist, geschaffen wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- a) Zuführen eines ersten Brennstoffes in den Brennraum, insbesondere in einem Arbeitszyklus der Brennraftmaschine,
- b) Zuführen eines zweiten Brennstoffes als Zündmittel in den Brennraum, insbesondere in demselben Arbeitszyklus wie der erste Brennstoff, wobei der erste Brennstoff von dem zweiten Brennstoff verschieden ist, und
- c) parameterabhängiges Einstellen des mindestens einen variabel einstellbaren Einlassventils.
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Durch das parameterabhängige Einstellen des mindestens einen variabel einstellbaren Einlassventils gemäß Schritt c) kann insbesondere die dem Brennraum zugeführte Luftmasse in einem Ansaugtakt, insbesondere im Leerlauf der Brennkraftmaschine oder bei einer Leistung der Brennkraftmaschine von maximal 50 %, bevorzugt maximal 40 %, bevorzugt maximal 30 %, bevorzugt maximal 20 %, bevorzugt maximal 10 %, der Nennleistung reduziert, also gedrosselt, werden, wodurch das Verhältnis von Luft zu den mindestens zwei Brennstoffen verbessert, insbesondere reduziert, und somit die Verbrennung optimiert wird. Zugleich werden Drosselverluste vermieden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt. Ebenfalls werden Abgasemissionen, insbesondere von Kohlenstoffmonoxid und von Kohlenwasserstoffen, bevorzugt von Methan, reduziert. Darüber hinaus wird durch das erfindungsgemäße Verfahren der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, insbesondere in allen Betriebspunkten, verbessert. Der Wirkungsgrad wird insbesondere dadurch verbessert, dass ein Verschleppen, das heißt eine zu späte, Verbrennung vermindert, insbesondere verhindert wird. Ebenfalls wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Klopfgrenze der Brennkraftmaschine verschoben. Durch das Verschieben der Klopfgrenze der Brennkraftmaschine können Gase oder Gasgemische als Brenngas verwendet werden, welche eine Methanzahl von weniger als 80, insbesondere von 50 oder mehr, haben.
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Bevorzugt beträgt ein Verhältnis der Energieanteile an einer dem Brennraum insgesamt zugeführten Energie von dem in Schritt a) zugeführten ersten Brennstoff zu dem in Schritt b) zugeführten zweiten Brennstoff 1:1 oder mehr, bevorzugt 2:1 oder mehr, bevorzugt 5:1 oder mehr, bevorzugt 10:1 oder mehr, bevorzugt 95:1 oder mehr, bevorzugt 99:1 oder mehr. Bevorzugt ist die mit mindestens zwei Brennstoffen eingerichtete Brennkraftmaschine ein Selbstzünder, insbesondere ein Dieselmotor, wobei ein selbstzündender Brennstoff, insbesondere Diesel, teilweise durch Brenngas ersetzt wird. Eine solche Brennkraftmaschine wird auch als „BiFuel“-Brennkraftmaschine bezeichnet. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist die Brennkraftmaschine eine Brennkraftmaschine, in der hauptsächlich, bevorzugt mindestens 90 %, bevorzugt mindestens 95 %, bevorzugt mindestens 99 % der dem Brennraum zugeführten Energie in Form eines Brenngases und bevorzugt maximal 10 %, bevorzugt maximal 5 %, bevorzugt maximal 1 % der dem Brennraum zugeführten Energie in Form von einem Zündöl, insbesondere Diesel oder Dimethylether, zugeführt, bevorzugt über einen Injektor eingespritzt, wird. Eine solche Brennkraftmaschine wird auch als „Dual Fuel“-Brennkraftmaschine bezeichnet.
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Der zweite Brennstoff ist bevorzugt zündwilliger als der erste Brennstoff. Bevorzugt ist der erste Brennstoff ein Brenngas. Bevorzugt ist der zweite Brennstoff ein Zündöl, insbesondere Diesel oder Dimethylether. Bevorzugt sind der erste Brennstoff ein Brenngas und der zweite Brennstoff ein Zündöl, insbesondere Diesel oder Dimethylether.
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Unter dem Begriff „Brenngas“ werden Gase und Gasgemische verstanden. Bevorzugt ist das Brenngas Erdgas, Biogas, Deponiegas, Klärgas, Grubengas, Produktgas aus der Holzvergasung, Magergas, Sondergas oder ein beliebiges Gemisch davon. Bevorzugt ist das Brenngas Erdgas und/oder Biogas. Bevorzugt wird als Brenngas ein methanhaltiges Gas verwendet.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Brennkraftmaschine zumindest in einem unteren Lastbereich, vorzugsweise permanent, in einem Miller-Kreisprozess, in einem Atkinson-Kreisprozess, mit einer verkürzten Öffnungszeit mindestens eines Einlassventils, bevorzugt im Vergleich zu einer maximalen Auslegungsöffnungszeit, insbesondere in einem höheren Lastbereich, oder mit einem geringeren Ventilhub, bevorzugt im Vergleich zu einem maximalen Auslegungsventilhub, betrieben wird. Bei dem geringeren Ventilhub wird das Einlassventil während des Ansaugtaktes nicht vollständig, also nur teilweise, geöffnet. Durch diese vier spezifischen Varianten der aktiven Ventilhubmodulation, d.h. die Modulation der Ventilhubkurve und/oder der zeitlichen Lage des Ventilhubs, werden in besonders einfacher und effizienter Weise die vorstehenden Vorteile erreicht. Insbesondere führt dies zu einer Ladungsreduktion und damit zu einer Beeinflussung der Verbrennungskenngrößen. Insbesondere wird durch die Verkürzung der Öffnungszeit eines Einlassventils und/oder das Betreiben der Brennkraftmaschine in einem Miller-Kreisprozess oder Atkinson-Kreisprozess die Luftmasse ohne Drosseleffekte reduziert.
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In einem „Miller-Kreisprozess“ wird das mindestens eine variabel einstellbare Einlassventil vor Erreichen eines unteren Totpunktes eines Kolbens in einem Ansaugtakt, insbesondere bei einem Öffnungswinkel von 5 °KW (Kurbelwellenwinkel oder Kurbelwinkel) vor dem unteren Totpunkt oder früher, geschlossen. In einem „Atkinson-Kreisprozess“ wird das mindestens eine variabel einstellbare Einlassventil, bevorzugt 5 °KW oder später nach Erreichen des unteren Totpunkts eines Kolbens im Ansaugtakt geschlossen.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass in einem unteren Lastbereich, insbesondere im Leerlauf der Brennkraftmaschine oder bei einer Leistung der Brennkraftmaschine von maximal 50 %, bevorzugt maximal 40 %, bevorzugt maximal 30 %, bevorzugt maximal 20 %, bevorzugt maximal 10 %, der Nennleistung, das mindestens eine variabel einstellbare Einlassventil so eingestellt wird, dass die zugeführte Luftmenge reduziert, also gedrosselt, wird. Es ergeben sich die zuvor genannten Vorteile. Es ist bevorzugt auch möglich, diesen Verfahrensschritt in anderen oder allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine durchzuführen.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass im Leerlauf der Brennkraftmaschine oder bei einer Leistung der Brennkraftmaschine von maximal 50 %, bevorzugt maximal 40 %, bevorzugt maximal 30 %, bevorzugt maximal 20 %, bevorzugt maximal 10 %, der Nennleistung das mindestens eine variabel einstellbare Einlassventil so eingestellt wird, dass ein thermodynamisches Verdichtungsverhältnis reduziert wird. Es ist bevorzugt auch vorgesehen, diesen Verfahrensschritt in anderen oder allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine durchzuführen. Auf diese Weise kann die Klopfgrenze verschoben werden, und es wird ein Betrieb der Brennkraftmaschine auch mit einem Brenngas mit niedriger Methanzahl, insbesondere von weniger als 80, möglich.
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Unter dem „thermodynamischen Verdichtungsverhältnis“ wird das Verhältnis zwischen einem Volumen eines Brennraums zum Zeitpunkt des Schließens aller ihm zugeordneten Einlassventile im Ansaug- oder Kompressionstakts und einem Volumen des Brennraums am oberen Totpunkt des dem Brennraum zugeordneten Kolbens verstanden. Aufgrund der Reduzierung des thermodynamischen Verdichtungsverhältnisses im Vergleich zu einer Brennkraftmaschine, bei der das/die Einlassventil(e) am unteren Totpunkt eines Kolbens im Ansaugtakt geschlossen wird/werden und ein höheres Verdichtungsverhältnis erreicht wird, wird ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis erreicht, wodurch sich auch die erfindungsgemäßen Vorteile in besonders effizienter und einfacher Weise ergeben, und wodurch insbesondere der Abstand zur Klopfgrenze erhöht beziehungsweise die Klopfgrenze verschoben wird.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass im Leerlauf der Brennkraftmaschine oder bei einer Leistung der Brennkraftmaschine von maximal 50 %, bevorzugt maximal 40 %, bevorzugt maximal 30 %, bevorzugt maximal 20 %, bevorzugt maximal 10 %, der Nennleistung das mindestens eine variabel einstellbare Einlassventil so eingestellt wird, dass ein Luftverhältnis λ von 1 bis 2 vorliegt. In dieser Ausführungsform ergeben sich besonders bevorzugt und in besonders optimierter und effizienter Weise die erfindungsgemäß oder erfindungsgemäß bevorzugten Vorteile. Es ist auch vorgesehen, diesen Verfahrensschritt in anderen oder allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine durchzuführen.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass dem mindestens einem Brennraum mindestens zwei variabel einstellbare Einlassventile zugeordnet sind, wobei wenigstens ein erstes Einlassventil der mindestens zwei variabel einstellbaren Einlassventile geöffnet wird und wobei wenigstens ein zweites Einlassventil der mindestens zwei variabel einstellbaren Einlassventile geschlossen bleibt. Durch das Geschlossenhalten eines Teils der mindestens zwei variabel einstellbaren Einlassventile gelangt ebenfalls wie bei einem geringeren Ventilhub eine geringere Luftmasse in den Brennraum des Zylinders. Es ergeben sich daher ebenfalls die vorgenannten Vorteile. Dieser Verfahrensschritt wird insbesondere im Leerlauf der Brennkraftmaschine oder bei einer Leistung der Brennkraftmaschine von maximal 50 %, bevorzugt maximal 40 %, bevorzugt maximal 30 %, bevorzugt maximal 20 %, bevorzugt maximal 10 %, der Nennleistung durchgeführt. Es ist bevorzugt auch vorgesehen, diesen Verfahrensschritt in anderen oder allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine durchzuführen.
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Bevorzugt weist das mindestens eine variabel einstellbare Einlassventil einen vollvariablen Ventiltrieb auf. Damit ist es in besonders flexibler und effizienter Weise ansteuerbar.
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Bevorzugt wird das mindestens eine variabel einstellbare Einlassventil in einem ersten Arbeitszyklus bei einem ersten Öffnungswinkel und in einem zweiten Arbeitszyklus bei einem zweiten Öffnungswinkel geschlossen wird, wobei der erste Öffnungswinkel von dem zweiten Öffnungswinkel verschieden ist. Durch dieses spezifische Verfahren ist es insbesondere möglich, auf eine Veränderung, insbesondere Steigerung oder Verringerung, der Leistung der Brennkraftmaschine schnell und flexibel reagieren zu können, um so vorzugsweise stets eine optimierte Verbrennung zu erreichen.
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Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine, eingerichtet zum Betrieb mit mindestens zwei Brennstoffen, geschaffen wird, die mindestens einen Brennraum aufweist, dem mindestens ein variabel einstellbares Einlassventil zugeordnet ist, wobei die Brennkraftmaschine eingerichtet ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen oder eines erfindungsgemäß bevorzugten Verfahrens. Dabei verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, insbesondere von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielswiese eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielsweise Öl und/oder Gas, möglich. Auch die Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich ist beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, möglich. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Besonders bevorzugt sind dem Brennraum wenigstens zwei, vorzugsweise genau zwei Einlassventile zugeordnet, von denen zumindest eines variabel einstellbar ist. Vorzugsweise sind beide dem Brennraum zugeordneten Einlassventile variabel einstellbar ausgebildet.
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Bevorzugt sind dem Brennraum zusätzlich oder alternativ wenigstens zwei, vorzugsweise genau zwei Auslassventile zugeordnet.
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Die Beschreibung des Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, kurz auch als Betriebsverfahren bezeichnet, und die Beschreibung der Brennkraftmaschine sind komplementär zueinander zu verstehen. Verfahrensschritte des Betriebsverfahrens, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Betriebsverfahrens. Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine. Diese zeichnet sich vorzugsweise durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Betriebsverfahrens bedingt ist. Das Betriebsverfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal der Brennkraftmaschine bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1. Diese weist wenigstens einen Brennraum 3 auf, dem wenigstens ein variabel einstellbares Einlassventil 5 zugeordnet ist. Dieses weist vorzugsweise einen vollvariablen Ventiltrieb 7 auf. Über das Einlassventil 5 ist der Brennraum 3 mit einem Ladepfad 9 in Fluidverbindung, wobei dem Brennraum 3 über den Ladepfad 9 Verbrennungsluft oder ein Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch zuführbar ist.
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Über wenigstens ein Auslassventil 11 steht der Brennraum 3 mit einem Abgasstrang 13 in Fluidverbindung.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildet. Dabei ist in dem Brennraum 3 ein Kolben 15 verlagerbar angeordnet.
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Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine 1 eine Mehrzahl von – insbesondere identisch ausgebildeten – Brennräumen 3 auf. Dabei ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 vier Zylinder, sechs Zylinder, acht Zylinder, zehn Zylinder, zwölf Zylinder, sechzehn Zylinder, achtzehn Zylinder, zwanzig Zylinder oder vierundzwanzig Zylinder aufweist. Es ist auch möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 eine kleinere, eine größere oder eine andere Zahl von Zylindern aufweist. Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als Reihenmotor, als V-Motor oder als W-Motor ausgebildet. Auch andere Konfigurationen der Anordnung der einzelnen Brennräume 3 für die Brennkraftmaschine 1 sind möglich.
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Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine 1 für jeden Brennraum 3 mehr als ein variabel einstellbares Einlassventil 5 auf. Insbesondere ist es möglich, dass jedem Brennraum 3 genau zwei variabel einstellbare Einlassventile zugeordnet sind. Es ist auch möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 für jeden Brennraum 3 mehr als ein Auslassventil 11 aufweist. Insbesondere ist es möglich, dass jedem Brennraum 3 genau zwei Auslassventile 11 zugeordnet sind.
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Vorzugsweise kann der Brennkraftmaschine 1 ein erster und ein zweiter Brennstoff zugeführt werden, wobei der zweite Brennstoff als Zündmittel dient und der erste Brennstoff von dem zweiten Brennstoff verschieden ist. Mit dem wenigstens einen variabel einstellbaren Einlassventil 5 ist es möglich, die zugeführte Luftmenge zu drosseln und bevorzugt ein Luftverhältnis λ von 1 bis 2 einzustellen. Aufgrund eines Schließens des wenigstens eines variabel einstellbaren Einlassventils 5 vor (Miller-Kreisprozess) oder nach (Atkinson-Kreisprozess) einem unteren Totpunkt des Kolbens 15 im Ansaugtakt wird neben der zugeführten Luftmenge auch das thermodynamische Verdichtungsverhältnis reduziert. Die Luftmasse kann ebenfalls dadurch reduziert werden, dass das wenigstens eine variabel einstellbare Einlassventil 5 nicht vollständig, sondern nur teilweise geöffnet wird. Derselbe technische Effekt kann dadurch erreicht werden, dass lediglich ein Teil einem Brennraum zugeordneter Einlassventile 5 geöffnet und ein anderer Teil diesem Brennraum zugeordneter Einlassventile 5 geschlossen bleiben. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, wobei der Teil der geöffneten Einlassventile 5 nur teilweise, also nicht vollständig, geöffnet wird.
