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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Viertakt-Verbrennungsmotors mit mindestens zwei Zylindern, die jeweils einen Kolben und jeweils mindestens ein Einlassventil umfassen.
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Zusätzlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Motorbaugruppe mit einem Viertakt-Verbrennungsmotor mit mindestens zwei Zylindern, die jeweils einen Kolben und mindestens jeweils ein Einlassventil umfassen, und einem Ansaugrohr mit einer Drosselklappe.
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Zum Starten eines Verbrennungsmotors ist bei Kraftfahrzeugen in der Regel ein Anlasser mit einem Elektromotor vorgesehen.
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Anlassergestützte Startvorgänge sind langsam und belasten das Bordnetz stark, sodass einige Hersteller deshalb eine zweite Fahrzeugbatterie einsetzen. Darüber hinaus verursacht der Start eines Verbrennungsmotors mit einem Anlasser Geräusche und Fahrzeugwankbewegungen, die als unangenehm empfunden werden können.
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Grundsätzlich wäre bei Verbrennungsmotoren ein sogenannter Direktstart wünschenswert, bei dem der stillstehende Motor ohne Unterstützung eines Anlassers ausschließlich mithilfe von Verbrennungsenergie gestartet wird. Es muss dafür Kraftstoff in den Verbrennungsraum eines Zylinders eingespritzt werden, um ein zündfähiges Gemisch zu erzeugen, dessen Verbrennung dann den Motor startet.
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Damit ein solcher Direktstart gelingen kann, muss sich die Kurbelwelle bezüglich eines Zylinders innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs nach dem oberen Totpunkt befinden, d. h. vereinfacht ausgedrückt, wenigstens ein Zylinderkolben muss sich in einer Position am Beginn des Ansaug- oder Arbeitstakts befinden.
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Diesbezüglich besteht die grundsätzliche Schwierigkeit, den Motor so auslaufen zu lassen, dass er beim nächsten Start die angestrebte Vorzugsposition einnimmt. Dabei sind zusätzlich Fahrzeugbewegungen nach dem Abstellen des Motors im eingekuppeltem Zustand zu berücksichtigen, bei denen sich die Kolbenposition nochmals ändern kann.
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Darüber hinaus ist das Temperaturfenster für einen Direktstart stark eingeschränkt. Ist die Temperatur zu gering, so wird durch die Verbrennung von Kraftstoff zu wenig Drehmoment erzeugt, um den Motor in Schwung zu bringen. Dies liegt unter anderem darin begründet, dass bei niedrigen Temperaturen das Motorschmieröl zähflüssig ist und dadurch innerhalb des Motors hohe Reibwiderstände wirken.
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Ist die Temperatur zu hoch, so befindet sich wegen der geringeren Luftdichte nicht genügend Sauerstoff im Zylinderraum, in dem die Verbrennung stattfinden soll. Der für den Direktstart eingespritzte Kraftstoff kann daher nur teilweise verbrannt werden. Die dabei entstehende Expansionsenergie ist zu gering, um den Motor in Bewegung zu versetzen.
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Je weniger Zylinder ein Motor hat, desto schwieriger ist es, die oben genannten Voraussetzungen für einen Direktstart zu erfüllen.
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In der
DE 10 2013 215 857 A1 ist ein Verfahren gezeigt. Hier verfügt ein Viertakt-Verbrennungsmotor neben den üblichen Ein- und Auslassventilen über zusätzliche Ladeventile, die einen Drucklufttank mit den Brennräumen der Zylinder verbinden. Über diese zusätzlichen Ladeventile können die Kolben in eine Vorzugsposition bewegt werden, sodass dann ein Motordirektstart ausgeführt werden kann. Zusätzlich werden der Drucklufttank und die zugehörigen Ladeventile dafür verwendet, einen sogenannten Druckluftstart auszuführen, bei dem der Motor ausschließlich mit Druckluft betrieben wird, bis er seine Solldrehzahl erreicht hat. Das Verfahren der
DE 10 2013 215 857 A1 kann somit nur mithilfe eines komplexen Aufbaus, der zusätzliche Ladeventile und einen Drucklufttank umfasst, realisiert werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zum Starten eines Viertakt-Verbrennungsmotors sowie eine einfach aufgebaute, direkt startbare Motorbaugruppe zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit folgenden Schritten gelöst:
- a) Auswählen eines Startzylinders aus den mindestens zwei Zylindern,
- b) Einbringen einer Frischluftmasse in den Startzylinder, wobei die Frischluftmasse über mindestens ein bei stehendem Motor betätigbares Einlassventil des Startzylinders, das auch zum Einbringen von Frischluft im Verbrennungsbetrieb genutzt wird, eingebracht wird, und
- c) Antreiben eines Kolbens des Startzylinders durch Einbringen von Kraftstoff in den Startzylinder und Zünden eines so entstandenen Kraftstoff-Luft-Gemischs.
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Für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind weder zusätzliche Ladeventile notwendig, noch wird ein Druckluftspeicher benötigt. Durch das Einbringen der Frischluftmasse wird zusätzlich das Temperaturfenster für den Direktstart erweitert. Dies ist der Fall, da durch das erfindungsgemäße Verfahren mehr Sauerstoff für die Verbrennung im Zylinderraum zur Verfügung steht und somit eine größere Expansionsenergie generiert werden kann. In Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen kann der Druck in der Frischluftmasse größer sein als der Umgebungsdruck, es kann also ein Überdruck vorliegen. Auch hinsichtlich der Kolbenstellung wird das Fenster für den Direktstart erweitert. Durch den zusätzlichen Sauerstoff kann selbst bei nicht optimaler Stellung des Kolbens ausreichend Expansionsenergie generiert werden, sodass der Motor angedreht wird. Das Einbringen der Frischluftmasse kann als Nebeneffekt zu einer Kolbenbewegung führen, muss aber nicht. Für das Einbringen der Frischluftmasse ist somit kein zusätzliches Einlassventil nötig.
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Vorzugsweise wird als Startzylinder derjenige Zylinder ausgewählt, dessen Kolben in einer Startposition steht, die in einer Motorlaufrichtung hinter einem oberen Totpunkt und vorzugsweise in einem Ansaugtakt liegt. Die Startposition ist dabei als ein vorgegebener Bereich der Position des Zylinders zu verstehen. Der Startzylinder befindet sich somit idealerweise am Anfang eines Ansaugtaktes. Dabei ist der zugehörige Kolben möglichst weit vom unteren Totpunkt entfernt, sodass ihm eine große Bewegungsstrecke zur Aufnahme von Schwung zur Verfügung steht. Somit ist ein Direktstart möglich, ohne den Motor zuvor in eine Startposition bewegen zu müssen.
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Eine Weiterbildung sieht zudem vor, dass das Abstellen des Viertakt-Verbrennungsmotors derart erfolgt, dass ein Kolben in der Startposition zu stehen kommt. Damit ist beim erneuten Starten des Viertakt-Verbrennungsmotors ein Überführen des Kolbens in diese Position unnötig. Die Kolben können zum Beispiel gesteuert abgebremst werden.
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Nach einer Ausführungsform wird dann, wenn keiner der Kolben in einer Startposition steht, vor dem Schritt a) der Kolben, der in einem Ausschiebetakt steht, durch Einbringen einer Druckluftmasse derart bewegt, dass ein anderer Kolben, der vorzugsweise im Ansaugtakt liegt, in die Startposition bewegt wird, wobei die Druckluftmasse über ein bei stehendem Viertakt-Verbrennungsmotor betätigbares Einlassventil eingebracht wird. Es werden somit hinsichtlich der Kolbenposition optimale Bedingungen für einen Direktstart hergestellt. Dabei werden wieder die Ein- und Auslassventile des Motors genutzt, die auch im Verbrennungsbetrieb für den Gaswechsel genutzt werden, sodass keine zusätzlichen Ventile notwendig sind. Bei der Druckluftmasse ist der Sauerstoffgehalt unerheblich.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Einbringen der Frischluftmasse und/oder der Druckluftmasse durch einen elektrisch betriebenen Verdichter, der luftführend mit einer Umgebung und mit einem Ansaugrohr des Viertakt-Verbrennungsmotors verbunden ist und nicht als Abgasturbolader wirkt. Die Begriffe Verdichter und Kompressor sind hier als Synonyme zu verstehen. Der Verdichter kann auch über Teile des Ansaugtrakts mit der Umgebung verbunden sein. Beispielsweise kann der Verdichter als Bypass einer Drosselklappe angeordnet sein. Der Verdichter wird aus der Fahrzeugbatterie gespeist und kann damit auch im Fahrzeugstillstand betätigt werden. Der Verdichter kann die einzubringende Masse an Frischluft zudem in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur variieren. Somit wird das nutzbare Temperaturfeld für einen Direktstart erweitert.
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Bevorzugt ist der Verdichter vom Ansaugrohr wahlweise durch ein Ventil absperrbar. Damit kann der Verdichter im normalen Verbrennungsbetrieb des Motors vom Ansaugrohr abgesperrt werden, sodass die für die Verbrennung notwendige Luft über den standardmäßigen Weg ins Ansaugrohr gelangt.
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Weiter bevorzugt kann der Verdichter auch im laufenden Verbrennungsbetrieb des Motors dafür genutzt werden, zusätzliche Luft in die Verbrennung einzubringen und damit das Ansprechverhalten des Motors zu verbessern. Die der Verbrennung zugeführte Sauerstoffmenge kann somit erhöht werden, wodurch eine größere Menge an Kraftstoff verbrannt werden und der Motor eine größere Leistung entfalten kann.
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Zusätzlich kann wenigstens während des Schritts b) eine Drosselklappe des Viertakt-Verbrennungsmotors geschlossen werden. Es wird so sichergestellt, dass die Frischluftmasse direkt in die Verbrennungsräume geleitet wird und nicht über das Ansaugrohr in die Umgebung entweicht.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann der Schritt c) von einer konventionellen Startereinheit unterstützt werden. Damit wird die Unabhängigkeit des Startverfahrens von den Umgebungsbedingungen weiter erhöht. Die Startereinheit kann dabei deutlich kleiner als bei konventionellen Motoren gestaltet sein, wodurch Vorteile bei deren Kosten und Gewicht entstehen. Darüber hinaus wird die Startereinheit so weniger belastet, was zu einer höheren Lebensdauer führt.
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Vorteilhafterweise wird das Einlassventil im Schritt b) durch einen Elektroantrieb betätigt. Der Elektroantrieb kann aus der Fahrzeugbatterie gespeist werden und somit auch bei Fahrzeugstillstand betätigt werden.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe durch eine gattungsgemäße Motorbaugruppe zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst, bei der das Ansaugrohr über einen vorzugsweise einen Elektromotor umfassenden Verdichter mit einer Umgebung luftführend verbunden ist und der Verdichter kein Abgasturbolader ist.
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Zwischen dem Verdichter und dem Ansaugrohr kann ein Ventil angeordnet sein, das eine luftführende Verbindung zwischen dem Ansaugrohr und dem Verdichter wahlweise absperren kann und vorzugsweise als Klappe oder Rückschlagventil ausgeführt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Einlassventile bei stehendem Motor betätigbar. Damit sind die Einlassventile auch im Stillstand des Fahrzeugs betätigbar, sodass ein Direktstartverfahren ermöglicht wird.
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Nach einer Gestaltungsalternative umfasst die Motorbaugruppe eine konventionelle Startereinheit.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Motorbaugruppe, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann, und
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2 ein Diagramm der Kolbenbewegungen sowie einer Übersicht der Takte der Zylinder einer erfindungsgemäßen Motorbaugruppe.
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In 1 ist schematisch ein Viertakt-Verbrennungsmotor 10 mit vier Zylindern 12, 14, 16, 18 gezeigt. Jeder Zylinder 12, 14, 16, 18 verfügt über einen Kolben 20, 22, 24, 26.
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Die Zylinder werden über ein Ansaugrohr 28 mit Umgebungsluft versorgt. Die Abgase entweichen über einen Abgastrakt 30.
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Die Zylinder sind mit dem Ansaugrohr 28 über jeweils mindestens ein Einlassventil 32, 34, 36, 38 verbunden. Mit dem Abgastrakt 30 sind die Zylinder 12, 14, 16, 18 über jeweils ein Auslassventil 40, 42, 44, 46 verbunden.
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Den Einlassventilen 32, 34, 36, 38 kann jeweils ein nicht dargestellter elektrischer Ventilantrieb zugeordnet sein, sodass jedes der Einlassventile 32, 34, 36, 38 durch die Betätigung des zugehörigen elektrischen Ventilantriebs geöffnet und geschlossen werden kann.
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Alternativ können die Einlassventile 32, 34, 36, 38 über eine nicht dargestellte Nockenwelle elektro-mechanisch betätigt werden. In diesem Fall treibt ein nicht dargestellter elektrischer Antrieb die Nockenwelle an und öffnet und schließt in einem durch die Geometrie und Anordnung der Nocken vorgegebenen Muster die Einlassventile 32, 34, 36, 38.
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Die Auslassventile 40, 42, 44, 46 können analog betätigt werden.
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Am Ansaugrohr 28 sind eine Drosselklappe 48 und ein Ventil 50, das als Klappenventil ausgeführt ist, angeordnet. Das Ventil 50 sperrt wahlweise einen Strömungspfad zwischen einem elektrisch betätigbaren Verdichter 52 und dem Ansaugrohr 28. Die Drosselklappe 48 wiederum sperrt wahlweise einen Strömungspfad zwischen dem Ansaugrohr 28 und der Umgebung. Der Verdichter 52 ist dabei kein Abgasturbolader.
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Darüber hinaus ist am Viertakt-Verbrennungsmotor 10 eine konventionelle Startereinheit 54 angeordnet.
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Im Folgenden wird der Ablauf des Verfahrens anhand der 1 und 2 erläutert.
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In der 2 ist dafür ein Ausschnitt der Bewegungen der Kolben 20, 22, 24, 26 zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) in einem zeitlichen Verlauf dargestellt. Eine Betrachtung der 2 von links nach rechts entspricht dabei dem Verbrennungsbetrieb des Viertakt-Verbrennungsmotors 10 oder einer Motorlaufrichtung 56.
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Der zwischen zwei Totpunktpositionen eines der Kolben 20, 22, 24, 26 durchlaufene Takt ist für die zugehörigen Zylinder 12, 14, 16, 18 in der Tabelle jeweils direkt unterhalb der zugehörigen Kolbenbewegung dargestellt. Die Zündreihenfolge im dargestellten Ausführungsbeispiel ist 12-14-18-16. Selbstverständlich wäre die Zündreihenfolge 12-16-18-14 genauso möglich.
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Für die Erläuterungen wird zunächst angenommen, dass der Viertakt-Verbrennungsmotor 10 in der Position A steht. In dieser Position befindet sich der Zylinder 12 im Ansaugtakt AN, der Zylinder 14 im Ausschiebetakt AS, der Zylinder 16 im Verdichtungstakt VE und der Zylinder 18 im Arbeitstakt AR.
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Zunächst muss aus den Zylindern 12, 14, 16, 18 über die Motorsteuerung ein Startzylinder ausgewählt werden. Es wird dabei derjenige Zylinder 12, 14, 16, 18 ausgewählt, dessen Kolben 20, 22, 24, 26 in einer Startposition steht, also in einer in Motorlaufrichtung 56 gesehen hinter einem oberen Totpunkt OT liegenden Position, die in einem Ansaugtakt AN liegt. Dies ist beim Zylinder 12 mit dem Kolben 20 der Fall.
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Es wird nachfolgend in den Zylinder 12 eine Frischluftmasse eingebracht. Bei dieser kommt es lediglich auf den Sauerstoffgehalt an. Ob die Frischluftmasse unter Druck steht oder nicht, ist unerheblich.
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Die Frischluftmasse wird vom Verdichter 52 aus der Umgebung angesaugt und über das Ventil 50 in das Ansaugrohr 28 eingebracht. Die Drosselklappe 48 ist dabei geschlossen.
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Die Frischluftmasse wird vom Ansaugrohr 28 über das Einlassventil 32 in den Zylinder 12 geleitet. Das Einlassventil 32 wird dabei bei stehendem Verbrennungsmotor über einen Elektromotor geöffnet.
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Wenn das Einbringen der Frischluft in den Zylinder 12 abgeschlossen ist, wird das Einlassventil 32 wieder geschlossen, und der Viertakt-Verbrennungsmotor 10 wird durch Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder 12 und Zünden des dadurch entstehenden Kraftstoff-Luft-Gemischs in Bewegung gesetzt. Optional kann dabei die konventionelle Startereinheit 54 unterstützen.
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In einer alternativen Konfiguration kann der Viertakt-Verbrennungsmotor 10 im Zustand B stehengeblieben sein. Im Zustand B befindet sich der Zylinder 12 im Ausschiebetakt AS, der Zylinder 14 im Arbeitstakt AR, der Zylinder 16 im Ansaugtakt AN und der Zylinder 18 im Verdichtungstakt VE.
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Der Zylinder 16 wäre also im richtigen Takt positioniert, um ihn als Startzylinder zu nutzen. Allerdings befindet sich der Zylinder 16 kurz vor dem unteren Totpunkt UT. Es ist also keiner der Zylinder 12, 14, 16, 18 in einer Startposition. Somit ist in dieser Position kein Direktstart des Viertakt-Verbrennungsmotors 10 möglich.
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Um den Viertakt-Verbrennungsmotor 10 in eine Startposition zu versetzen, kann in den Zylinder 12, der im Ausschiebetakt AS steht, eine Druckluftmasse eingebracht werden, die den Viertakt-Verbrennungsmotor 10 in Motorlaufrichtung 56 rückwärts bewegt.
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Im Unterschied zur Frischluftmasse kommt es bei der Druckluftmasse nur auf den mechanischen Druck an. Der Sauerstoffgehalt der Druckluftmasse ist unerheblich.
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Die Druckluft wird vom Verdichter 52 aus der Umgebung angesaugt. Das Ventil 50 ist dabei geöffnet und die Drosselklappe 48 geschlossen. Dadurch strömt die Luft aus der Umgebung durch das Ventil 50 hindurch und zum geöffneten Einlassventil 32. Das Auslassventil 40 sowie das Einlassventil 36 sind dabei geschlossen. Dann wird die Druckluft in den Zylinder 12 eingeleitet, sodass der Kolben 20 in Richtung des unteren Totpunktes UT bewegt wird. Aufgrund des Zusammenhangs der Kolbenbewegungen über die Kurbelwelle wird durch das Befüllen des Zylinders 12 mit Druckluft der Zylinder 16 innerhalb des Ansaugtaktes AN weiter in Richtung des oberen Totpunktes OT zurückverschoben.
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Insgesamt kann so der Motor in eine Position C überführt werden, in der sich der Zylinder 16 in einer Startposition befindet. Nach dem Abschluss des Zurückdrehens wird das Einlassventil 36 geöffnet und das Einlassventil 32 geschlossen. Optional können der Verdichter 52 abgeschaltet, das Ventil 50 geschlossen und die Drosselklappe 48 geöffnet werden.
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Es kann nun das Direktstartverfahren mit dem Zylinder 16 als Startzylinder durchgeführt werden. Selbstverständlich kann dabei die konventionelle Startereinheit 54 unterstützen.
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In einer weiteren Variante kann schon beim Abstellen des Viertakt-Verbrennungsmotors 10 dafür gesorgt werden, dass einer der Zylinder 12, 14, 16, 18 in einer Startposition steht. Wenn dem so ist, ist beim nächsten Starten des Motors kein Zurückdrehen notwendig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013215857 A1 [0011, 0011]
