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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors
und einen Verbrennungsmotor, bei dem die Ansaugluft mit einem Lader aufgeladen
wird und in einem Luftsammler gespeichert wird. Der Verbrennungsmotor
verfügt über eine Ventilhubumschaltung
für die
Einlass- oder Auslassventile und über eine Motorsteuerung, mit
der der Ventilhub und der Ladedruck der Ansaugluft entsprechend
der Fahrpedalstellung eingestellt wird. Eine Ventilhubumschaltung
wird hierbei stets gleichzeitig mit einer Saugrohrdruckänderung
vorgenommen.
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Beim
Ottomotor mit äußerer Gemischbildung und
fest vorgegebenen Luft-/Kraftstoffverhältnis ist die abgegebene Leistung
proportional zum angesaugten Luftmassenstrom. Bei mageren Luft-Kraftstoff-Gemischen
betriebene Ottomotoren z.B. mit Direkteinspritzung kann auch direkt über Variation
der eingespritzte Kraftstoffmenge die Last gesteuert werden. Erfolgt
die Steuerung der Motorleistung und damit die Steuerung des Motormoments über den
Luftmassenstrom bei fest eingestelltem Luft-/Kraftstoffverhältnis, so
wird dazu eine Drosselklappe verwendet. Ist die Drosselklappe nicht
vollständig
geöffnet, so
wird die vom Motor angesaugte Luft gedrosselt sowie die eingespritzte
Kraftstoffmenge verringert und damit das er zeugte Drehmoment reduziert.
Diese Drosselwirkung hängt
ab von der Stellung und damit vom Öffnungsquerschnitt der Drosselklappe.
Bei voll geöffneter
Drosselklappe wird das maximale Moment des Motors erreicht.
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Der
Ladungswechsel von Frischgas und Restgas geschieht durch geeignetes Öffnen und Schließen der
Einlass- und Auslassventile. Die Nocken der Nockenwelle bestimmen
die Zeitpunkte des Öffnens
und Schließens
der Ventile sowie den Verlauf der Ventilerhebung. Dadurch wird der
Ladungswechselvorgang und somit auch die für die Verbrennung verfügbare Frischgasmenge
beeinflusst. Über Verdrehen
der Nockenwelle können
hierbei insbesondere die Steuerzeiten beeinflusst werden und über ein
schaltbares Koppelelement zwischen Nockenwelle und Ventil kann eine
Ventilhubumschaltung realisiert werden.
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Das
erreichbare Drehmoment eines Verbrennungsmotors ist proportional
zur Frischgasfüllung.
Daher kann das maximale Drehmoment gesteigert werden, in dem die
Luft im Zylinder durch Aufladung verdichtet wird. Bekannte Systeme
zur Aufladung sind die mechanische Aufladung, die Abgasturboaufladung
oder die Resonanzrohraufladung.
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Ein
Verbrennungsmotor mit Ventilhubumschaltung ist aus der deutschen
Patentanmeldung
DE
198 37 098 A1 bekannt. Der Verbrennungsmotor wird mit zwei
Zylindergruppen betrieben, von denen eine ständig befeuert und eine zweite
zu- und abschaltbar betrieben wird. Die Zu- und Abschaltung der
zweiten Zylindergruppe erfolgt durch Umschaltung des Ventilhubes
der zugeordneten Gaswechselventile. Unabhängig davon ist auch der Ventilhub
der ständig
befeuerten Zylindergruppe variabel, so dass in beiden Betriebszuständen – zugeschaltet
und abgeschaltet – der
zweiten Zylindergruppe verbrauchsoptimierte Ventilhübe der ersten
Zylindergruppe geschaltet werden können.
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Durch
die Entdrosselung von Ottomotoren können erhebliche Verbrauchsreduzierungen
erzielt werden. Um dies zu erreichen, gibt es verschiedene Lösungsansätze:
- – Den
Betrieb des Verbrennungsmotors mit Restgas oder Luftüberschuss,
- – Füllungssteuerung
der Verbrennungszylinder durch variablen Einlassfluss der Ventilsteuerzeiten,
- – den
Betrieb des Verbrennungsmotors unter spezifisch höherer Last
durch eine lange Achsübersetzung,
- – Zylinderabschaltung.
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Die
aufgeführten
Entdrosselungsmaßnahmen
sind beliebig miteinander kombinierbar.
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Insbesondere
bei Entdrosselung durch eine lange Achsübersetzung wird die geringere
Fahrzeugbeschleunigung in der Regel durch einen leistungsgesteigerten
Verbrennungsmotor durch Aufladung kompensiert. Bei Entdrosselung
durch variablen Einlassschluss in Kombination mit Hubumschaltung
besteht allerdings das Problem, dass sich die Zylinderfüllung bei
Hubumschaltung schlagartig durch das Speicherverhalten des Saugrohrs ändert. Um
eine schnelle und genaue Lastanpassung zu erreichen, muss ein erheblicher
Aufwand in der Drosselklappenvorsteuerung einschließlich der
Zündungssteuerung
durchgeführt
werden, ohne jedoch einen exakten Übergang der Last bei Ventilhubumschaltung steuerungstechnisch
darstellen zu können.
Insbesondere durch Spätzug
der Zündung
kann bei Umschaltung von Teilhub auf Vollhub die Last reduziert werden.
Die Lastreduktion ist jedoch mit Verbrauchsnachteilen durch Wir kungsgradverschlechterung
sowie mit einer hohen Temperaturbelastung des Katalysators verbunden.
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Erfindungsgemäße Aufgabe
ist es daher, eine Lösung
anzugeben, mit der die Ventilhubumschaltung möglichst genau die Lastanpassung
erreicht.
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Die
Lösung
gelingt mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einem Verbrennungsmotor
nach Anspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen von Verfahren und
Verbrennungsmaschine sind in den Unteransprüchen und in der Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
enthalten.
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Die
Lösung
gelingt hauptsächlich
mit einer Druckentlastung in dem Ansaugsystem zur Ladeluftaufladung,
die gleichzeitig mit der Ventilhubumschaltung betätigt wird.
Druckentlastung und Ventilhubumschaltung werden hierbei mit geeigneten
Stellelementen betätigt,
wobei die Stellelemente von der Motorsteuerung angesteuert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist die Druckentlastung mit einer Umluftklappe in der Ladeluftaufladung
realisiert. Je nach Motorlast wird die Umluftklappe geöffnet oder
geschlossen und damit der Saugrohrdruck erniedrigt oder erhöht. Bei
Betrieb mit kleinem Ventilhub wird der Betriebsbereich des Verbrennungsmotors
bis in den Aufladebetrieb hineingelegt. Das heißt, mit zunehmender Motorlast wird
die Umluftklappe geschlossen und der Saugrohrdruck erhöht. Wenn
die Motorlast einen Wert erreicht, der sich nach Umschaltung auf
den Vollhub unter ungedrosselten Saugbedingungen ergäbe, wird
der Umschaltvorgang für
den Ventilhub von Teilhub auf Vollhub eingeleitet. Gleichzeitig
mit der Umschaltung des Ventilhubs erfolgt ein schlagartiges Öffnen der
Umluftklappe, so dass sich der Überdruck im
Saugrohr auf Umgebungsdruck abbaut. Da das Ladesystem unter Überdruck
stand, baut sich der Druck durch die Öffnung der Umluftklappe fast
verzögerungslos
auf Umgebungsdruck ab. Nach dem Umschalten auf Vollhub wird bei
weiterer Lastanforderung die Umluftklappe wieder langsam geschlossen und
der Saugrohrdruck ausgehend von Umgebungsdruckniveau weiter angehoben
bis die Volllast unter Aufladung erreicht wird. Bei Lastreduzierung
erfolgt der Vorgang analog in umgekehrter Richtung. Im Umschaltpunkt
des Ventilhubs von Vollhub auf Teilhub wird zur Kompensation der
Drosselverluste am Ventilspalt die Umluftklappe des Laders geschlossen.
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Durch
den Einsatz einer schnellen Ventilhubumschaltung kann das vorgenannte
Verfahren mit einem Restgasmanagement kombiniert werden. Mit einem
Restgasmanagement kann der Umschaltpunkt für die Ventilhubumschaltung
zu niedrigeren Motorlasten hin verschoben werden. Zusätzlich kann eine
Zündzeitpunktverstellung
zur Korrektur kleiner Abweichungen der Motorlast während der
Umschaltung des Ventilhubs herangezogen werden.
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Ohne
Beschränkung
der Allgemeinheit wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
einer graphischen Darstellung näher
erläutert.
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Dabei
zeigt 1 eine grafische Darstellung für die Lastregelstrategie bei
Ventilhubumschaltung und Aufladung
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1 zeigt
eine vereinfachte Darstellung eines typischen Verbrennungsmotors.
In einem Motorblock 1 läuft
in einem Verbrennungszylinder 2 ein Arbeitskolben 3.
Die Beschickung des Verbrennungsraumes mit einem zündfähigen Gemisch
erfolgt über ein
Saugrohr 4 und der Ausstoß des verbrannten Kraftstoffgemisches
erfolgt über
den Abgaskrümmer 5.
Ein- und Auslass der Gasgemische werden mit mindestens einem Einlassventil 6 und
mindestens einem Auslassventil 7, jeweils pro Verbrennungszylinder,
gesteuert. Mit einem Kraftstoffinjektor 8 wird der Kraftstoff
zur Gemischbildung der Ansaugluft zugeführt. Dargestellt ist eine interne
Gemischbildung mit direkter Einspritzung des Kraftstoffs in den
Verbrennungsraum des Verbrennungszylinders. Die Erfindung ist jedoch
nicht auf die interne Gemischbildung beschränkt. Vielmehr kann die Gemischbildung
auch extern erfolgen Die Stößel der
Einlass- und Auslassventile werden mit angetriebenen Nockenwellen 9, 10 betätigt. Zumindest
an der Einlassnockenwelle 9 befindet sich eine nicht näher beschriebene
Stellvorrichtung, so dass sich über
Ventilhub des Einlassventils 6 einstellen lässt. Vorteilhafterweise
hat auch die Auslassnockenwelle 10 zur Betätigung des
Auslassventils 7 eine gleichartige Verstelleinrichtung.
Zusätzlich
können
die beiden Nockenwellen zur Betätigung der
Einlass- und Auslassventile mit einem Phasensteller ausgerüstet sein,
so dass sich auch die Steuerzeiten für den Gaswechsel im Verbrennungsraum beeinflussen
und steuern lässt.
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Alternativ
zu einem Ventiltrieb, der die Einlass und Auslassventile mittels
Nockenwellen und zugehöriger
Stellvorrichtung betätigt,
können
auch elektromagnetische Ventiltriebe eingesetzt werden. Elektromagnetische
Ventiltriebe sind hinsichtlich der Beeinflussung der Steuerzeiten
und des Ventilhubs von Einlass- und Auslassventilen wesentlich flexibler als
ein Ventiltrieb über
Nockenwellen.
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Die
Aufladung der Ansaugluft erfolgt mit einem Lader 11, mit
dem die angesaugte Luft verdichtet und in einem Luftsammler 12 auf
die einzelnen Zylinder verteilt wird. Der Druck im Luftsammler 12 wird hierbei
mit einem Drucksensor 13 gemessen und überwacht. Auf der Saugseite
des Laders 11 wird die Menge der angesaugten Luft mit einem Heiss-Film-Messgerät HFM gemessen.
Der Zuflussquerschnitt des Luftsammlers kann hierbei mit einer druckseitig
zum Lader angeordneten Drosselklappe 14 geregelt werden. Über einen
Bypass 15, in dem eine Umluftklappe 16 angeordnet
ist, kann verdichtete Luft, gegen den Umgebungsdruck abgeführt werden.
Bevorzugterweise ist hierbei der Bypass 15 als Druckluftrückführung zur
Saugseite des Laders 11 ausgebildet.
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Umluftklappe 16,
Drosselklappe 14 sowie die Stellvorrichtung für die Ventilhubumschaltung
des Einlassventils 6 ebenso die Ventilhubumschaltung des
Auslassventils 7, werden von einer Motorsteuerung 17 angesteuert.
Drucksensor 13 und Heiss-Film-Messgerät HFM sind für die Prozessüberwachung
ebenfalls über
Signalleitungen mit der Motorsteuerung 17 verbunden. Die
Hauptaufgabe der Motorsteuerung ist, dass vom Motor erzeugte Drehmoment
einzustellen. Dazu werden in den verschiedenen Teilsystemen der
Motorsteuerung alle Drehmoment beeinflussenden Größen gesteuert.
Die wichtigsten Teilsysteme sind hierbei die Füllungssteuerung, die Gemischbildung
und die Zündung.
Bei heutigen Motorsteuerungssystemen wird hierbei die gewünschte Last
mit einem elektronischen Fahrpedal 18 angefordert und die
Drosselklappe 14 entsprechend der Motorlast geöffnet. Die
erforderliche Füllung
der Motorzylinder mit Luft und die genaue Stellung der Drosselklappe
werden hierbei mit einem Steuerungsprogramm, das im wesentlichen
auf Kennfelder zugreift, ermittelt und eingestellt.
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Für die Gemischbildung
wird ebenfalls mit einem Steuerungsprogramm in der Motorsteuerung 17 aus
Kennfeldern entsprechend der Fahrpedalstellung die zugehörende Kraftstoffmasse
berechnet und daraus die erforderliche Einspritzzeit und der optimale
Einspritzzeitpunkt bestimmt. Für
die Zündung
des eingebrachten Kraftstoffgemisches wird schließlich der
Kurbelwellenwinkel ermittelt, an dem der Zündfunke für die zeitgerechte Entflammung
des Gemisches im Verbrennungszylinder sorgt. Ziel dieser Steuerung
ist, das vom Fahrer mittels Be tätigung
des Fahrpedals 18 geforderte Drehmoment bereitzustellen
und gleichzeitig die hohen Anforderungen an Abgasemission, Kraftstoffverbrauch,
Leistung, Komfort und Sicherheit zu erfüllen.
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Das
Gasgemisch, das sich nach dem Schließen der Einlassventile im Zylinder
befindet, wird als Zylinderfüllung
bezeichnet. Sie besteht aus der zugeführten Frischluft und Restgas
aus dem vorhergehenden Verbrennungsprozess. Zur Entdrosselung des
Motors kann mit einem Restgasmanagement das Verhältnis von Frischgas und Restgas über die Motorsteuerung
eingestellt werden. Bestandteile des angesaugten Frischgases sind
Frischluft sowie der darin mitgeführte Kraftstoff beziehungsweise
der direkt in den Verbrennungsraum eingespritzte Kraftstoff. Die
Frischluft strömt über die
Drosselklappe 14. Die nach dem Schließen der Einlassventile im Zylinder
vorhandene, über
die Drosselklappe zugeführte Luft
in Verbindung mit dem Lambdaverhältnis
des Kraftstoffes ist die entscheidende Größe für die während der Verbrennung am Kolben 3 verrichtete
Arbeit und damit für
das vom Motor abgegebene Drehmoment. Maßnahmen zur Steigerung von
maximalem Drehmoment und maximaler Leistung des Motors bedingen
daher fast immer eine Erhöhung
der maximal möglichen
Füllung.
Bei gegebenem Hubraum kann die Füllung
durch Verdichtung der Ansaugluft mittels Ladersystem 11 erhöht werden.
Bekannte Ladersysteme sind hierbei die Resonanzrohraufladung, der Abgasturbolader
oder ein mechanisches Ladesystem, insbesondere so genannte Kompressoren.
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Der
Restgasanteil der Füllung
wird gebildet:
- – durch die Abgasmasse, die
im Zylinder verbleibt und nicht während der Öffnungszeit des Auslassventils 7 ausgeschoben
wird, sowie
- – bei
Systemen mit äußerer Abgasrückführung durch
die Masse des zurückgeführten Abgases.
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Der
Restgasanteil wird durch den Ladungswechsel bestimmt. Die Restgasmasse
nimmt nicht direkt an der Verbrennung teil, beeinflusst jedoch die Entflammung
und den Verlauf der Verbrennung. Im Teillastbetrieb des Motors kann
dieser Restgasanteil daher durchaus erwünscht sein. Um ein gefordertes Drehmoment
zu erreichen, muss die verringerte Frischgasfüllung über eine größere Drosselklappenöffnung ausgeglichen
werden. Damit verringern sich die Pumpverluste des Motors. Ein reduzierter
Kraftstoffverbrauch ist die Folge. Ein gezielt eingesetzter Restgasanteil
kann ebenfalls die Verbrennung beeinflussen und somit die Emission
von Stickoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen reduzieren.
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Bei
Entdrosselung durch variablen Einlassschluss in Kombination mit
einer Hubumschaltung von Einlassventil und ggf. mit Auslassventil
besteht das Problem, dass sich die Zylinderfüllung bei Hubumschaltung ändert. Diese
Füllungsänderung
muss über
eine Anpassung des Saugrohrdrucks sehr schnell angepasst werden,
was aber durch die Speicherwirkung des Saugrohrs nicht so ohne weiteres möglich ist.
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Um
eine schnelle und genaue Lastanpassung zu erreichen, musste in der
Vergangenheit erheblicher Aufwand in der Drosselklappenvorsteuerung
einschließlich
der Zündsteuerung
durchgeführt werden,
ohne jedoch einen exakten Übergang
der Hubumschaltung steuerungstechnisch darstellen zu können. Erfindungsgemäß wird dieses
Problem gelöst,
in dem gleichzeitig zur Hubumschaltung eine Druckänderung
im Luftsammler 12 vorgenommen wird.
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Zur
näheren
Erläuterung
des erfindungsgemäßen Steuerung
von Ladedruck und Ventilhubumschaltung sind in 1 die
Signalverläufe
für die wichtigsten
Stellorgane, die von der Mo torsteuerung angesteuert und betätigt werden,
aufgezeigt. Die Signalverläufe
sind hierbei auf eine gemeinsame Zeitbasis bezogen. Dargestellt
sind insgesamt fünf
Signalverläufe.
Ein Signalverlauf für
die Motorlast entsprechend der Fahrpedalstellung 18, ein
Signalverlauf für
den Ventilhub des Einlassventils 6, ein Signalverlauf für den Öffnungswinkel
der Umluftklappe 16, ein Signalverlauf für den Öffnungswinkel
der Drosselklappe 14 sowie ein Signalverlauf für den Ladedruck im
Luftsammler beziehungsweise im Ansaugrohr 4, wie er mit
dem Drucksensor 13 gemessen wird.
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Je
nach Leistungscharakteristik des eingesetzten Verbrennungsmotors
ergeben sich die Umschaltpunkte U1, U2 für die Umschaltung des Ventilhubs
von Teilhub auf Vollhub oder umgekehrt bei Überschreiten oder Unterschreiten
einer spezifischen Motorlast, wie sie vom Fahrer mittels Fahrpedalstellung
angefordert wird. Der Umschaltpunkt U1 markiert hierbei die Umschaltung
des Ventilhubs von Teilhub auf Vollhub bei zunehmend ansteigender
Motorlast. Übersteigt
die Motorlast den spezifischen Grenzwert für die Ventilhubumschaltung,
so wird zeitgleich mit der Ventilhubumschaltung die Umluftklappe 16 kurzfristig
geöffnet,
damit im Luftsammler 12 beziehungsweise im Ansaugrohr 4,
der Saugrohrdruck auf Umgebungsdruck abfallen kann. Der Umschaltpunkt
wird idealerweise so gewählt,
dass nach der Umschaltung des Ventils auf den Vollhub und bei Umgebungsdruck
im Saugrohr sich die gleiche Motorlast einstellt, wie bei Teilhub
und erhöhtem
Druck im Saugrohr Der Umschaltpunkt U2 in der zeichnerischen Darstellung
von 1 markiert den umgekehrten Vorgang, bei dem der
Ventilhub von Vollhub auf Teilhub umgeschaltet wird. Mit abnehmender
Motorlast wird bei Unterschreiten einer spezifischen Motorlast der
Ventilhub des Einlassventils 6 von Vollhub auf Teilhub
umgeschaltet. Gleichzeitig wird auch bei dieser Um schaltung die
Umluftklappe 16 geschlossen, damit sich der entsprechende
Ladedruck im Saugrohr 4 einstellt. Bei weiterer Ladedruckreduzierung
wird dann die Umluftklappe kontinuierlich geöffnet, bis sich Umgebungsdruck
einstellt.
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Vor
der Umschaltung und nach der Umschaltung des Ventilhubs erfolgt
die Füllungsregelung über den
Saugrohrdruck im Saugrohr 4 in an sich bekannter Weise
durch Betätigen
der Drosselklappe 14 sowie der Umluftklappe 16.
Für zunehmenden
Ladedruck wird hierbei die Umluftklappe 16 zunehmend geschlossen.
Für abnehmenden
Ladedruck wird die Umluftklappe 16 hierbei zunehmend geöffnet. Bei Betrieb
des Verbrennungsmotors mit kleinem Ventilhub wird der Betriebspunkt
möglichst
in den Aufladebetrieb des Verbrennungsmotors hineingelegt. Das heißt, mit
zunehmender Motorlast wird die Umluftklappe des Laders 11 geschlossen
und der Saugrohrdruck erhöht.
Wenn die Last einen Wert erreicht, die sich nach Umschaltung auf
den Vollhub unter ungedrosselten Saugbedingungen ergäbe, wird
der Umschaltvorgang von Teilhub auf Vollhub eingeleitet. Gleichzeitig
mit der Umschaltung erfolgt ein schlagartiges Öffnen der Umluftklappe, so
dass sich der Überdruck
im Saugrohr auf Umgebungsdruck abbaut. Da das System unter Überdruck
steht, baut sich der Druck durch die Volumenvergrößerung bei Öffnen der
Umluftklappe 16 fast verzögerungslos ab. Durch Einsatz
eines schnellen Nockenwellenstellers kann der Umschaltpunkt U1,
U2 durch Restgasmanagement zu niedrigen Lasten hin verschoben werden.
Nach dem Umschalten auf Vollhub wird bei weiterer Lastanforderung
die Umluftklappe wieder langsam geschlossen und der Saugrohrdruck
ausgehend vom Umgebungsdruckniveau weiter angehoben, bis die Volllast
unter Aufladung erreicht wird. Bei Lastreduzierung erfolgt der Vorgang
analog in umgekehrter Richtung. Zusätzlich kann der Zündzeitpunkt
zur Korrektur kleiner Lastabweichungen während der Umschaltung herangezogen
werden.