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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs.
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Derartige Verfahren zum Betreiben von Verbrennungsmotoren sind grundsätzlich bekannt, wobei insbesondere Ottomotoren in ihrem thermodynamischen Wirkungsgrad aufgrund einer notwendigen Drosselung der quantitativen Laststeuerung sowie des reduzierten Verdichtungsverhältnisses zur Vermeidung der Klopfneigung begrenzt sind. Ein bekannter Ansatz zur Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrads stellen die sogenannten Miller- und Atkinson-Verfahren dar. In einem solchen nach dem Miller-Verfahren betriebenen Verbrennungsmotor wird ein herkömmlicher Ottomotor mit einem gegenüber dem Normalbetrieb des Ottomotors erhöhten geometrischen Verdichtungsverhältnis betrieben. Um eine daraus resultierende Klopfneigung des Verbrennungsmotors zu reduzieren, werden die Einlassventile der Zylinder des Verbrennungsmotors im Miller-Verfahren sehr früh oder nach dem Atkinson-Verfahren sehr spät, also insbesondere deutlich vor oder deutlich nach dem unteren Totpunkt des Kolbens des Verbrennungsmotors geschlossen. Dies bedeutet, dass das Ansaugen von frischer Verbrennungsluft in den Zylinder über das Einlassventil entweder vorzeitig abgebrochen wird, oder aber ein Teil der bereits in die Brennkammer angesaugten Luftmenge wieder zurück in den Ansaugtrakt, der dem Einlassventil vorgeschaltet ist, zurückgeschoben wird. In beiden Fällen wird der jeweilige Zylinder nur unvollständig gefüllt, die Verdichtung beginnt später und die Ladungstemperatur sinkt, wodurch das unerwünschte Auftreten von Klopfen in dem Zylinder vermieden oder zumindest vermindert werden kann. Die Reduzierung der Klopfneigung resultiert aus einer geringeren Temperatur der Zylinderladung. Diese ergibt sich aus der Expansion des Gases im Brennraum nach dem Schließen der Einlassventile (Miller) und dem späteren Beginn der Verdichtung (Miller und Atkinson). Um die dabei auftretenden Füllungsverluste ohne Drehmomenteinbußen auszugleichen, muss der Saugrohrdruck und die Verdichterleistung erhöht werden, wodurch eine höhere Luftmenge in einer bestimmten Zeit in den Zylinder einströmen kann. Die Erhöhung der Verdichterleistung wird durch ein stärkeres Aufladesystem, beispielsweise einen größeren Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, erzielt.
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Nachteilig an einem stärkeren Aufladesystem, beispielsweise an einem größeren Turbolader, ist, dass dieses durch seine höhere Masse und damit verbundene, höhere Massenträgheit eine längere Zeitdauer benötigt, um auf Lastsprünge, insbesondere auf Lastsprünge aus dem Teillastbetrieb in den Volllastbetrieb, zu reagieren, wodurch das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors verschlechtert wird.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, mit welchem der Verbrennungsmotor im Teillastbetrieb mit einem relativ hohen thermodynamischen Wirkungsgrad betrieben werden kann und das Ansprechverhalten bei Lastsprüngen verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruchs 1.
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Der Verbrennungsmotor umfasst mindestens ein Einlassventil und einen zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegenden Kolben. Im Betrieb des Verbrennungsmotors wird über das Einlassventil ein durch ein Aufladesystem, insbesondere einen Abgasturbolader, verdichteter Ladeluftstrom mindestens einem Zylinder zugeführt, wobei über das Einlassventil der in den Zylinder strömende Luftmassenstrom gesteuert wird. Zur Bildung eines zu verbrennenden Kraftstoff-Luft-Gemisches wird ein Kraftstoff bei einer sogenannten Saugrohreinspritzung in eine Ansaugleitung und bei einer sogenannten Direkteinspritzung direkt in den Zylinder eingespritzt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Grundgedanken, dass bei einem Übergang von einem Teillastbetrieb in einen Volllastbetrieb zumindest für eine vordefinierte Zeitdauer, d.h. temporär, die Steuerzeiten des Einlassventils von einer wirkungsgradoptimalen Lage in eine leistungsoptimale Lage verschoben werden. Dabei wird das Einlassventil im Teillastbetrieb in einem ersten Einlassöffnungszeitpunkt geöffnet und in einem ersten Einlassschließzeitpunkt geschlossen. Dabei ist der Einlassschließzeitpunkt derart gewählt, dass das Einlassventil schon sehr früh vor dem Erreichen des unteren Totpunkts des Kolbens geschlossen wird, wodurch der Luftstrom in den Zylinder schon sehr früh vor dem unteren Totpunkt unterbrochen wird. Hierbei handelt es sich um den klassischen Betrieb des Verbrennungsmotors nach dem Miller-Verfahren. Der dabei entstehende Luft-Füllungsverlust wird durch eine höhere Verdichtung der Luft ausgeglichen, wobei das Ausladesystem, beispielsweise der Turbolader, im Vergleich zu üblichen Verfahren zum Betreiben des Verbrennungsmotors größer ausgeführt ist.
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Bei einer Erhöhung der Leistungsanforderung, d.h. bei einem Übergang vom Teillastbetrieb in einen Volllastbetrieb wird das Einlassventil in einem vergleichsweise zum ersten Einlassöffnungszeitpunkt späteren, zweiten Einlassöffnungszeitpunkt geöffnet und in einem vergleichsweise zum ersten Einlassschließzeitpunkt späteren, zweiten Einlassschließzeitpunkt geschlossen. In anderen Worten, im Übergang vom Teillastbetrieb in den Volllastbetrieb werden der Einlassöffnungszeitpunkt und der Einlassschließzeitpunkt gemeinsam nach spät verschoben.
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Dadurch wird erzielt, dass das Einlassventil zum Zeitpunkt einer relativ hohen Geschwindigkeit des Kolbens, welcher sich bei Öffnung des Einlassventils vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewegt, offen ist. Die relativ hohe Kolbengeschwindigkeit führt zu einem im Vergleich zum Teillastbetrieb höheren in den Zylinder einströmenden Luftstrom. Durch die erhöhte, für den Verbrennungsprozess bereitstehende Luft wird bei der Verbrennung im Zylinder mehr Energie frei, wodurch die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors kurzzeitig erhöht wird und das Ausladesystem, d.h. der Turbolader, auf eine für den Volllastbetrieb erforderliche Drehzahl beschleunigt wird. Dadurch kann das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors bei einem Übergang vom Teillastbetrieb in den Volllastbetrieb verbessert werden.
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Vorzugsweise sind eine erste Einlassöffnungsdauer des Einlassventils, welche zwischen dem ersten Einlassöffnungszeitpunkt und dem ersten Einlassschließzeitpunkt andauert, und eine zweite Einlassöffnungsdauer des Einlassventils, welche zwischen dem zweiten Einlassöffnungszeitpunkt und dem zweiten Einlassschließzeitpunkt andauert, gleich lang. Damit werden der Einlassöffnungszeitpunkt und der Einlassschließzeitpunkt um den gleichen Faktor nach spät verschoben, so dass beim Übergang vom Teillastbetrieb zum Volllastbetrieb die Öffnungszeitdauer des Einlassventils nicht erhöht wird, sondern identisch wie im Teillastbetrieb ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung ergibt sich der zweite Einlassöffnungszeitpunkt durch Addition oder Multiplikation eines festen Einlassöffnungs-Offsetwerts mit dem ersten Einlassöffnungszeitpunkt und der zweiten Einlassschließzeitpunkt ergibt sich durch Addition oder Multiplikation eines festen Einlassschließ-Offsetwerts mit dem ersten Einlassschließzeitpunkt. Dadurch kann auf eine einfache Weise ein sogenanntes Turboloch reduziert werden.
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Vorzugsweise werden der zweite Einlassöffnungszeitpunkt und der zweite Einlassschließzeitpunkt derart gewählt, dass die maximale Öffnung des Einlassventils annährend zum Zeitpunkt der maximalen Kolbengeschwindigkeit erreicht wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Einlassventil im Wesentlichen mittig zwischen dem oberen und unteren Totpunkt des Kolbens eine maximale Öffnung auf. Die Kolbengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der der Kolben den Weg zwischen dem oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt zurücklegt. Die Kolbengeschwindigkeit ist aufgrund der hebelartigen Kopplung an die rotierende Bewegung der Kurbelwelle nicht gleichmäßig, wobei sich abhängig vom Pleuelverhältnis ein ungefähr sinusförmiger Verlauf der Kolbengeschwindigkeit bei jedem Hub ergibt. Die Lage des Kolbens bzw. der Kurbelwinkel, bei welchem die Kolbengeschwindigkeit maximal ist, variiert je nach Pleuelverhältnis, wobei die maximale Kolbengeschwindigkeit bei einem Kurbelwinkel im Bereich von 90°, d.h. mittig zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt, vorliegt. Beispielsweise liegt die maximale Kolbengeschwindigkeit bei einem Pleuelverhältnis von 0,25 bei einem Kurbelwinkel von etwa 76° und beträgt etwa die 1,6-fache mittlere Kolbengeschwindigkeit.
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Dadurch, dass das Einlassventil bei maximaler Kolbengeschwindigkeit offen ist, kann ein relativ hoher Luftmassenstrom in den Zylinder erzielt werden, da die Saugwirkung des Kolbens durch die Bewegung mit einer hohen Geschwindigkeit zum unteren Totpunkt maximal ist.
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Vorzugsweise ist eine maximale Öffnung des Einlassventils geringer als die maximale Öffnung eines Auslassventils. Die reduzierte Öffnungsdauer beim Miller-Verfahren führt dazu, das die Beschleunigung des Einlassventils, insbesondere eines Ventilkörpers des Einlassventils, erhöht wird und dadurch der Betrieb des Einlassventils negativ beeinflusst wird. Daher ist der maximale Hub, d.h. die maximale Öffnung des Einlassventils im Vergleich zu ursprünglichen Verfahren reduziert, wobei die Luft-Füllungsverluste durch eine höhere Verdichtung mittels des Ausladesystems, insbesondere des Turboladers, ausgeglichen werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird im Übergang vom Teillastbetrieb in den Volllastbetrieb die Einspritzmenge eines Kraftstoffeinspritzelements des Verbrennungsmotors vergleichsweise zum Teillastbetrieb um einen vordefinierten Betrag erhöht. Vorzugsweise wird auch im Übergang vom Teillastbetrieb in den Volllastbetrieb der Zündwinkel einer Zündvorrichtung des Verbrennungsmotors vergleichsweise zum Teillastbetrieb um einen vordefinierten Betrag verändert. Beim Übergang vom Teillastbetrieb in den Volllastbetrieb strömt zum einen mehr Luft in den Zylinder und zum anderen wird mehr Kraftstoff zur Verbrennung bereitgestellt sowie der Zündwinkel verstellt. Dadurch wird kurzeitig mehr Energie bei der Verbrennung des Kraftstoffs frei und das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors verbessert.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors kann der Verbrennungsmotor stationär mit einem relativ hohen thermodynamischen Wirkungsgrad betrieben werden und dabei die damit verbundenen Nachteile im dynamischen Verhalten reduziert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
- Die 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors, und
- die 2 zeigt ein Ventilhub-Diagramm.
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In der 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeugs dargestellt, welcher als Ottomotor ausgeführt ist. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ein Aufladesystem 12, nämlich einen Abgasturbolader 12, welcher einen Verdichter 14 und eine Turbine 16 aufweist, wobei die Turbine 16 drehmomentübertragend, beispielsweise durch eine drehbar gelagerte Welle, mit dem Verdichter 14 verbunden ist. Selbstverständlich ist auch ein Abgasturbolader 12 denkbar, welcher mehrere Abgasturbolader umfasst.
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Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ferner einen Zylinderblock 18, welcher vier Zylinder 22, 24, 26, 28 aufweist. Alternativ kann auch eine andere Anzahl an Zylindern vorgesehen sein. In den Zylindern 22, 24, 26, 28 auf- und ab beweglich geführte Kolben 32, 34, 36, 38 angeordnet, wobei die Kolben 32, 34, 36, 38 über jeweils ein Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden sind. Die Pleuel und die Kurbelwelle sind in der 1 nicht gezeigt. Im Betrieb bewegen sich die Kolben 32, 34, 36, 38 zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT.
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Zur Einleitung von Frischluft in die Zylinder 22, 24, 26, 28 sind diese mit einer Ansaugleitung 30 fluidisch verbunden. Die Steuerung der Zufuhr des Luftmassenstroms in die Zylinder 22, 24, 26, 28 erfolgt über nur schematisch dargestellte Einlassventile 50, 52, 54, 56, wobei jeder Zylinder 22, 24, 26, 28 jeweils ein oder mehrere Einlassventile 50, 52, 54, 56 aufweist. Die Einlassventile 50, 52, 54, 56 werden über eine Nockenwelle oder eine andere Vorrichtung zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand verstellt, wobei in der 1 die Nockenwelle oder eine andere Vorrichtung grobschematische durch eine Steuervorrichtung 58 gezeigt ist. Der den Zylindern 22, 24, 26, 28 zugeführte Luftmassenstrom wird mit Hilfe des Abgasturboladers 12 verdichtet.
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Zur Bildung eines in den Zylindern 22, 24, 26, 28 zu verbrennenden Kraftstoff-Luft-Gemisches wird Kraftstoff direkt über jeweils eine Einspritzvorrichtung 40, 42, 44, 46 in die Zylinder 22, 24, 26, 28 eingespritzt.
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Die bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylindern 22, 24, 26, 28 entstehenden Abgase werden als Abgasstrom über eine Abgasleitung 60 aus den Zylindern 22, 24, 26, 28 abgeführt, wobei jeder Zylinder 22, 24, 26, 28 über jeweils ein Auslassventil 62, 64, 66, 68 mit der Abgasleitung 60 fluidisch verbunden ist. Die Auslassventile 62, 64, 66, 68 werden durch die Steuervorrichtung 58 gesteuert.
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In der Abgasleitung 60 ist die Turbine 16 des Abgasturboladers 12 angeordnet, wobei das durch die Turbine 16 strömende Abgas die Turbine 16 und den mit der Turbine 16 drehmomentübertragend verbundenen Verdichter 14 antreibt, wodurch die über die Ansaugleitung 30 die zu den Zylindern 22, 24, 26, 28 strömende Luft verdichtet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte. In einem Teillastbetrieb werden die jeweiligen Einlassventile 50, 52, 54, 56 jeweils zu einem ersten Einlassöffnungszeitpunkt te1 geöffnet und entsprechend dem Miller-Verfahren jeweils zu einem relativ frühen ersten Einlassschließzeitpunkt te2 geschlossen, wobei der erste Einlassöffnungszeitpunkt te1 und der erste Einlassschließzeitpunkt te2 eine erste Einlassöffnungszeitdauer definieren. Das Schließen der jeweiligen Einlassventile 50, 52, 54, 56 zu einem sehr frühen Zeitpunkt bedeutet, dass die Einlassventile 50, 52, 54, 56 weit vor Erreichen der des unteren Totpunkts UT durch den Kolben 32, 34, 36, 38 geschlossen werden. Zum Ausstoßen der beim Verbrennungsprozess entstandenen Abgase werden die Auslassventile 62, 64, 66, 68 zu einem Auslassöffnungszeitpunkt ta1 geöffnet und zu einem Auslassschließzeitpunkt ta2 geschlossen. In der 2 ist der Öffnungsvorgang eines Auslassventils 62, 64, 66, 68 vor dem Öffnen eines Einlassventils 50, 52, 54, 56 dargestellt. Auch der stationäre Volllastbetrieb wird bevorzugt nach dem Miller-Verfahren betrieben, so dass aus Wirkungsgradgründen die Einlassventile 50, 52, 54, 56 auch im stationären Volllastbetrieb zu einem frühen Zeitpunkt geschlossen werden.
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Erfindungsgemäß wird in einem Übergang vom Teillastbetrieb in den Volllastbetrieb das Einlassventil 50, 52, 54, 56 in einem vergleichsweise zum ersten Einlassöffnungszeitpunkt te1 späteren, zweiten Einlassöffnungszeitpunkt te3 geöffnet und in einem vergleichsweise zum ersten Einlassschließzeitpunkt te2 späteren, zweiten Einlassschließzeitpunkt te4 geschlossen. Die zweite Einlassöffnungsdauer, welche durch den zweiten Einlassöffnungszeitpunkt te2 und den Einlassschließzeitpunkt te4 definiert ist, ist genau so lang wie die erste Einlassöffnungsdauer, so dass die in der 2 gezeigte Kurve als Ganzes nach in Richtung des unteren Totpunkts UT, d.h. nach spät, verschoben ist. Die Verschiebung der Kurve kann beispielsweise durch einen festen Einlassöffnungs-Offsetwert und einen festen Einlassschließ-Offsetwert erfolgen, wobei zum ersten Einlassöffnungszeitpunkt ein fester Einlassöffnungs-Offsetwert addiert wird und zum ersten Einlassschließzeitpunkt ein fester Einlassschließ-Offsetwert addiert wird. Die beiden Offsetwerte sind derart gewählt, dass die maximale Öffnung eines Einlassventils im Wesentlichen mittig zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT, d.h. bei einem Kurbelwinkel von 90°, liegt. In diesem Zustand weisen die Kolben 32, 34, 36, 38 ihre maximale Geschwindigkeit auf, wodurch ein erhöhter Luftmassenstrom in die Zylinder 22, 24, 26, 28 eingebracht werden kann. Zusätzlich wird die durch die Einspritzvorrichtungen 40, 42, 44, 46 in die Zylinder 22, 24, 26, 28 eingespritzte Kraftstoffmenge an die erhöhte Luftmenge in den Zylindern 22, 24, 26, 28 angepasst, d.h. erhöht und der Zündwinkel von den Zündvorrichtungen verstellt.
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Die Verstellung der Steuerzeiten erfolgt nicht in einem Sprung, sondern folgt einem zeitlichen Verlauf, wobei beispielsweise zu Beginn des Lastsprungs, d.h. in einem Übergang vom Teillastbetrieb in den Volllastbetrieb, sehr zügig nach spät verstellt wird und gegen Ende des Lastsprungs wieder langsamer auf die wirkungsgradoptimale Steuerzeit verstellt wird.
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Im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs wird der Verbrennungsmotor 10 in dem Teillastbetrieb und in dem Volllastbetrieb betrieben, wobei zumindest der Teillastbetrieb nach dem Miller-Verfahren erfolgt. Durch das Miller-Verfahren erfolgt eine zusätzliche Expansion der Füllung vor dem Verdichtungsvorgang im Zylinder 22, 24, 26, 28, was eine Temperaturreduzierung zur Folge hat. Dadurch kann das unerwünschte Auftreten von Klopfen in den Zylindern 22, 24, 26, 28 vermieden oder zumindest vermindert werden. Dabei werden die jeweiligen Zylinder 22, 24, 26, 28 nur unvollständig gefüllt, wobei um die dabei auftretenden Füllungsverluste ohne Drehmomenteinbußen auszugleichen, der Saugrohrdruck und die Verdichterleistung erhöht werden muss, wodurch eine höhere Luftmenge in einer bestimmten Zeit in den Zylinder 22, 24, 26, 28 einströmen kann. Die Erhöhung der Verdichterleistung wird durch einen größeren Abgasturbolader 12 erzielt. Weiterhin führt die reduzierte Öffnungsdauer beim Miller-Verfahren dazu, das die Beschleunigung des Einlassventils 50, 52, 54, 56, insbesondere eines Ventilkörpers des Einlassventils 50, 52, 54, 56, erhöht wird und dadurch der Betrieb des Einlassventils 50, 52, 54, 56 negativ beeinflusst wird. Daher ist der maximale Hub hE, d.h. die maximale Öffnung der Einlassventile 50, 52, 54, 56 im Vergleich zu anderen Verfahren reduziert. Auch diese Luft-Füllungsverluste werden durch eine höhere Verdichtung mittels eines größeren Abgasturboladers 12 ausgeglichen.
Ein größerer Abgasturbolader 12 führt aufgrund seiner höheren Massenträgheit zu einem sogenannten Turboloch und zu einem verschlechterten Ansprechverhalten des Verbrennungsmotos 10 bei einer Lastanforderung im Teillastbetrieb.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors 10 mit einem größeren Abgasturbolader 12 verbessert, indem die Einlassventile 50, 52, 54, 56 bei einer Lastanforderung, d.h. bei einem Übergang vom Teillastbetrieb in den Volllastbetrieb, geöffnet werden, wenn die Kolben 32, 34, 36, 38 in ihrer Bewegung vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT eine relativ hohe Geschwindigkeit aufweisen. Gleichzeitig wird die Kraftstoffmenge erhöht und der Zündwinkel entsprechen verstellt. Dadurch wird eine kurzzeitige Leistungssteigerung erzielt und dadurch das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors 10 verbessert.
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Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen.
