DE2503806A1 - Verfahren zum betrieb eines aufgeladenen viertakt-dieselmotors sowie mit dem verfahren betriebener motor - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines aufgeladenen viertakt-dieselmotors sowie mit dem verfahren betriebener motor

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DE2503806A1 DE19752503806 DE2503806A DE2503806A1 DE 2503806 A1 DE2503806 A1 DE 2503806A1 DE 19752503806 DE19752503806 DE 19752503806 DE 2503806 A DE2503806 A DE 2503806A DE 2503806 A1 DE2503806 A1 DE 2503806A1
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Description

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Pr rfr. ϊ,λ PIPTES JLOUlS
I !.l.-Pby, Cl1VJS I1DHLAU
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NÜRNBERG 2503806
15 478/9
SOCIETE ALSACIENNE DE CONSTRUCTIONS MECANIQUES DE MULHOUSE, MULHOUSE CEDEX / FRANKREICH
Verfahren zum Betrieb eines aufgeladenen Viertakt-Dieselmotors sowie mit dem Verfahren betriebener Motor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines aufgeladenen Viertakt-Dieselmotors, insbesondere zur Verbesserung der Betriebsbedingungen beim Start und beim Lauf unter geringer Last, sowie einen mit dem Verfahren betriebenen mittels Turbolader aufgeladenen Viertakt-Dieselmotor.
Bei Dieselmotoren wird die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches bekanntlich durch Erzeugung einer entsprechend hohen Temperatur der Luftladung erzielt, die sich bei der adiaba— tischen Verdichtung in dem Zylinder einstellt. Darum ist auch das nominale volumenbezogene Verdichtungsverhältnis von
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Dieselmotoren relativ hoch und in der Regel nicht geringer als 12.
Weiterhin ist bekannt, daß die Leistung von Dieselmotoren durch eine sog. Αμίΐαά^^ verbessert werden kann; dabei wird gewöhnlich mittels eines Turboladers die den Zylindern zugeführte Luft vorverdichtet und damit der Druck am Ende des Verdichtungshubes erhöht, so daß sich der Maximaldruck des Verdichtungstaktes insgesamt erhöht. Das Aufladedruckverhältnis liegt üblicherweise zwischen 2 und 3·
Um jedoch im Vollastbetrieb den Maximaldruck des Verdichtungstaktes zu begrenzen, wird bei aufgeladenen Motoren das nomi-" nale Verdichtungsverhältnis üblicherweise auf einen Minimalwert festgesetzt, der gerade noch einen guten Start des Motors gestattet. Dies hat zur Folge, daß die im Verdichtungstakt erzielte Temperatur im Leerlauf oder unter geringer Last vergleichsweise niedrig liegt und daß bei längerem Betrieb in kalter Umgebung das Schmieröl, welches über die geteilten Kolbenringe in den Brennraum hochsteigt, nicht vollständig verbrennt und die Auslaßventile verklebt. Darüberhinaus treten KaltstartSchwierigkeiten auf, da in kalter Umgebung bei» Start die zur Zündung erforderlichen Temperaturen mit Rücksiebt auf das herabgesetzte Verdichtungsverhältnis und die beim Start ausfallende oder geringe Leistung des Turboladers schwierig zu erreichen sind.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu
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nm J Hll
beseitigen.
Zur Beseitigung dieser beim Start oder im Betrieb unter geringer Last, insbesondere bei niedriger Lufttemperatur auftretenden Nachteile ist es bereits bekannt geworden, die Ansaugluft vorzuwärmen.oder die Temperaturen im Verdichtungstakt durch eine Drosselung der Ansaugung zu erhöhen. Das erstgenannte Vorgehen ist apparativ aufwendig und erfordert eine Wärmequelle, während das zweitgenannte Vorgehen den Brennstoffverbrauch ganz erheblich erhöht und zu einer Gegenspülung' des Totraums sowie zu einer Verschmutzung der Einlaßventilgehäuse führt, wenn nicht besondere Vorsorge hiergegen getroffen wird. „
Das erfindungsgemäße Vorgehen besteht im Prinzip darin, die Ventilsteuerung derart abzuändern, daß ohne wesentliche Druckverluste in der Luftströmung und der Abgasströmung ein Teil der Abgase in denjenigen Betriebszuständen wieder in die Zylinder zurückgeleitet wird, in denen der Aufladedruck geringer als der Gegendruck an der Abgasseite der Zylinder ist.
Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Auslaßventile während eines großen Teiles der Dauer des Ansaughubes offengehalten werden, so daß gleichzeitig mit der Ansaugluft wieder Abgas in den Zylinder gesaugt wird. Am Ende des Ansaughubes weist die im Zylinderraum vorliegende Gasmischung eine erheblich höhere Temperatur als bei einer üblichen Ventilsteuerung auf, bei der nur sehr wenig oder gar kein Abgas
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wieder mit eingesaugt wird, und diese erhöhte Ausgangstemperatur für den Verdichtungshub führt zu einer entsprechenden Erhöhung der Endtemperatur der verdichteten Luft zum Zeitpunkt der Brennstoffeinspritzung.
Wenn nun beim Hochfahren des Motors der von einer Abgasturbine angetriebene Turbolader beschleunigt, so erreicht der Ansaugdruck höhere Werte als der abgasseitige Druck des Zylinders, so daß die Wiederansaugung eines Teiles der Abgase endet und sich durch den Überdruck an der Saugseite und den relativ niedrigeren Druck an der Abgasseite eine vom Einlaßventil zum Auslaßventil gerichtete Spülströmung einstellt, die zur Kühlung des Auslaßventiles durch frische Ansaugluft* beiträgt.
Die Rückansaugung von Abgas hängt von der Druckdifferenz zwischen der Ansaugseite und der Abgasseite des Zylinders sowie vom Öffnungszeitpunkt der Ventile und dem Öffnungshub der Ventile ab. Die Kühlung der Auslaßventile hängt ebenfalls von der Druckdifferenz zwischen der Ansaugseite und der Abgasseite des Zylinders und vom Öffnungszeitpunkt der Ventile ab, wird jedoch nur sehr geringfügig von dem Öffnungshub der Auslaßventile beeinflußt, da die Kühlung der Auslaßventile von der bei jedem gewählten Öffnungshub ausreichend zugänglichen Ventiloberfläche ausgeht.
Nach einem weiteren Merkmal dsr Erfindung wird die Rücksaugung
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von Abgas durch eine Verminderung des Öffnungshubes der Auslaßventile während des Ansaughubes begrenzt. Die Wahl des Öffnungshubes wird dabei so getroffen, daß die Menge des rückgesaugten Abgases für eine Maximaltemperatur der Ansaugluft des Zylinders unter den schwierigsten auftretenden Betriebsbedingungen an dem Grenzwert oder etwas unterhalb des Grenzwertes liegt, der für eine maximal zulässige, vom Motor noch verarbeitbare Rücksaugung von Abgas besteht.
Die oben im Zusammenhang mit dem Start und dem Lauf unter niedriger Last erläuterten Schwierigkeiten bei Dieselmotoren treten verstärkt bei Dieselmotoren mit einem niedrigen nominalen Verdichtungsverhältnis auf. Es ist bekannt", daß die Leistung eines Dieselmotores ganz erheblich, beispielsweise um 30 % bis über 100 % gesteigert werden kann, ohne daß die mechanische und thermische Belastung steigt, wenn das Verdichtungsverhältnis beispielsweise von 12 auf 7 oder 8 verringert und das Aufladedruckverhältnis von 3 auf beispielsweise 5 oder 6 erhöht wird.
Bei solchen Motoren kann, unabhängig von der Umgebungstemperatur, die zur Zündung erforderliche Temperatur beim Start' und unter niedriger Last nicht erreicht werden, da hierfür das Kompressionsverhältnis nicht ausreicht, wenn unter den genannten Betriebsbedingungen die Aufladung noch keine ausreichende Erhöhung des Ansaugdruckes ergibt. -
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Daher ist es für solche Motoren bekannt geworden, zusätzliche Vorkehrungen zur Erzielung der Zündungstemperatur beim Start und beim Betrieb unter niedriger Last zu treffen. Wie bereits weiter oben erläutert wurde, wird hierfür die Ansaugluft vorgeheizt oder wird die Leistung des Turboladers beim Start und unter geringer Last durch besondere Maßnahmen eigens erhöht. So ist es beispielsweise bekannt, den Aufladeverdichter von außen her zusätzlich anzutreiben und/oder die Abgasturbine des Turboladers als Gasturbine laufen zu lassen und hierfür eine Hilfsbrennkammer vorzusehen.
Zwar haben sich einige dieser zusätzlichen Maßnahmen als durchaus wirksam erwiesen, jedoch erfordern diese vergleichsweise umfangreiche Änderungen des Motors und vergleichsweise komplizierte Steuersysteme, um eine Anpassung an den jeweiligen Betriebszustand des Motors zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Lösung hingegen, bei der die Auslaß- \entile während des überwiegenden Teils der Dauer des Ansaughubes offengehalten werden und ihr Öffnungshub den jeweiligen Erfordernissen des Einzelfalles angepaßt wird, erfordert keine zusätzlichen Maßnahmen für eine Anpassung an die unterschiedlichen Betriebszustände und führt zu einem zufriedenstellenden Betrieb des Motors bei Vollast ebenso wie beispielsweise beim Anlässen oder im Leerlauf in. kalter Umgebung, selbst bei Dieselmotoren mit geringem nominalen Verdichtungsverhältnis.
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Erfindungsgemäß werden diese Schwierigkeiten auch dadurch beseitigt, daß die teilweise Rückansaugung von Abgas durch Einflußnahme auf die Druckdifferenz zwischen der Abgasseite und der Ansaugseite des Motors mittels entsprechender Steuerglieder gesteuert wird, die beim Betrieb unterschiedliche Druckabflälle bzw. Druckzustände im Abgassystem oder im Ansaugsystem oder in beiden erzeugen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Verbesserung der Betriebsbedingungen eines aufgeladenen Dieselmotors, insbesondere beim Anlassen und beim Lauf unter niedriger Last bei geringer Umgebungstemperatur daher auch willkürlich und wahlweise ein Gegendruck im Abgassystem erzeugt. Dieser Gegendruck kann mittels einer Drosselklappe od. dgl. mit einstellbarer Durchströmöffnung herbeigeführt werden, wobei diese Drosselklappe vorzugsweise stromab der Abgasturbine des Turboladers angeordnet ist. Im Falle von Schiffs— motoren kann dieser Gegendruck auch dadurch erzeugt werden, daß die Abgasleitung unterhalb der Wasserlinie des Schiffes ausmündet. .
Zugleich oder stattdessen kann ein einstellbarer Druckabfall im Ansaugsystem erzeugt werden, so wie dies beispielsweise aus der französischen Patentschrift 1 323 025 bekannt ist.
Schließlich ist erfindungsgemäß für Motoren mit geringem nominalen Verdichtungsverhältnis oder für Starts in sehr kalter Umgebung vorgesehen, vor oder bei dem Start die im Abgassammler enthaltene Luft über eine gewisse Zeitspanne
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vorzuwärmen oder Warmluft in den Abgassammler einzuleiten, um die Temperatur des in der oben erläuterten Weise in den Zylinder rückgesaugten Abgases zu erhöhen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbindung mit den zusätzlichen Ansprüchen. Es zeigt
Fig. 1 schematisch vereinfacht einen erfindungsgemäßen Dieselmotor mit Ansaug- und Abgassystem,
Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Öffnungsund Schließzeiten der Ventilejnrährend einer vollen Kurbelwellendrehung im Auspuff- und Ansaughub bei .einem üblichen Dieselmotor,
Fig. 3 ein Diagramm entsprechend Fig. 2 für einen erfindungsgemäßen Dieselmotor und Fig. 4 eine Darstellung des Verlaufs des Auslaßventilhubs über der Kurbelwellendrehung eines üblichen und eines erfindungsgemäßen Dieselmotors.
Der in Fig. 1 bei 1 veranschaulichte aufgeladene Dieselmotor kann ein Motor mit üblichem Verdichtungsverhältnis von etwa 12 oder mehr oder auch ein Motor mit geringem Verdichtungsverhältnis von etwa 7 oder 8 sein.
Der Motor 1 weist erfindungsgemäß eine nicht näher dargestellte Steuerwelle auf, deren Steuernocken für die Ventil-
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steuerung derart ausgebildet sind, daß die Einlaßventile während des überwiegenden Teiles des Ansaughubes wenigstens über einen Teilhub geöffnet gehalten werden. Diese Steuerung wird weiter unten im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 noch näher erläutert.
Der Motor 1 weist weiterhin regelbare Steuerglieder auf, die wahlweise einen Gegendruck in der Abgasleitung 2" aufbauen können und die im Beispielsfall durch eine bewegliche Drosselklappe 3 gebildet sind, die stromab einer Abgasturbine 4 eines Turboladers mit einem Aufladeverdichter 5 angeordnet ist.
Die Drosselklappe 3 wird durch eine Steuereinrichtung 6 eingestellt, die von der Steuerung der Einspritzung Steuerbefehle erhält und gemäß einem Temperatürwert gesteuert wird, nämlich der Umgebungstemperatur bei der Ansaugung und/oder der Abgastemperatür.
Eine weitere Drosselklappe 7» die über eine Steuereinrichtung 8 steuerbar ist, kann in der Ansaugleitung 9 des Motors vorgesehen sein, beispielsweise so wie dies in der französischen Patentschrift 1 323 025 näher erläutert ist.
Wenn die vorlie-gende Erfindung bei einem Motor mit geringem Verdichtungsverhältnis oder für Starts in sehr kalter Umgebung vorgesehen ist, so ist zusätzlich eine Heizeinrich-
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tung 10 im Abgassammler vorgesehen, die in der Zeichnung beispielhaft als elektrische Widerstandsheizung dargestellt ist und beispielsweise von Hand in Betrieb gesetzt werden kann, kurz bevor der Motor gestartet wird und beispielsweise über.ein Zeitmeßglied über eine solche Zeitspanne in Betrieb gehalten werden lann, die dazu ausreicht, daß der Motor mit gedrosselter Leistung rund läuft. Als Heizeinrichtung kann auch eine Einrichtung zur Zuführung von Warmluft oder von beispielsweise durch eine elektrische Widerstandsheizung erwärmter Luft in die Abgasleitung 2 dienen, wobei die warme oder erwärmte Luft den Abgassammler im Gegenstrom durchquert und so die Temperatur des rückgesaugten Abgases erhöht.
Die Aufheizung der Luft im Abgassammler kann auch durch einen Brenner erzielt werden, der stromauf der Drosselklappe 3, beispielsweise zwischen der Drosselklappe 3 und der Abgasturbine 4 in die Abgasleitung 2 mündet bzw. zur Abgasleitung 2 hin offen ist, wobei die Drosselklappe 3 während der Vorheizung vor dem Start geschlossen ist.
In den Fig. 2 und 3 ist für einen üblichen Dieselmotor und für einen erfindungsgemäßen Dieselmotor die Ventileinstel— lung in der üblichen Weise in Abhängigkeit von der Kurbelvellendrehung veranschaulicht. Auf der linken Seite der Diagramme zwischen dem unteren Totpunkt UT des Arbeitskolbens und dem oberen Totpunkt OT findet dabei der Auspuffhub statt, während auf der rechten Seite der Diagramme zwischen
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dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT der Ansaughub liegt. In der Zeichnung sind weiterhin die Vorläufwinkel für den Beginn der Öffnung der Ventile und die Nachlauf wink el für das Ende der Schließbewegung der Ventile gegenüber dem zugehörigen Totpunkt angegeben, wobei EÖ und AÖ den Beginn der Öffnungsbewegung des Einlaß- bzw. Auslaßventiles und ES bzw. AS das Ende der Schließbewegung der Einlaß- bzw. der Auslaßventile veranschaulicht.
Da die in der Zeichnung veranschaulichten Diagramme für den Fachmann aus sich selbst heraus verständlich sind, wird wegen der Einzelheiten der erfindungsgemäß vorgesehenen Ventilsteuerung ausdrücklich auf die zeichnerisch dargestellten und mit erläuternden Hinweisen versehenen Diagramme verwiesen.
Wie insbesondere aus einem Vergleich der Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, beträgt die Verzögerung des Endes der Schließbewegung der Auslaßventile (AS) bei üblichen Dieselmotoren zwischen 30 und 75,, im allgemeinen etwa 60 Kurbelwellenwinkel, bei einem erfindungsgemäßen Motor hingegen bleibt das Auslaßventil während des überwiegenden Teils der Dauer des Ansaughubes offen, wobei die Verzögerung der Schließbewegung gegenüber dem oberen Totpunkt OT zwischen etwa 85 und 150 Kurbelwellenwinkel liegt und in der weiter oben näher erläuterten Weise eine Rückansaugung von Abgas ermöglicht. Die Rückansaugung einer ausreichenden Abgasmenge zur wirksamen Erhöhung der Temperatur im Zylinder wird insbe-
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sondere dadurch unterstützt, daß das Auslaßventil noch offen ist, wenn der Arbeitskolben im Ansaughub seine maximale Geschwindigkeit aufweist.
Die Überdeckungsdauer der Öffnung von Einlaßventil und Auslaßventil wird somit durch die Vergrößerung der Verzögerung der Schließbewegung des Auslaßventiles (AS) sehr stark erhöht, so daß es vorteilhaft sein kann, bei einem erfindungs— gemäßen Motor den Vorlaufwinkel der Öffnungsbewegung des Einlaßventiles (EÖ) von etwa 60° bei üblichen Motoren (Fig. 2) auf beispielsweise etwa 40° (Fig. 3) zu verringern.
Die Öffnungsbewegung des Auslaßventiles in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel ist auch in Fig. 4 dargestellt, aus der auch der jeweilige Öffnungshub des Auslaßventiles ersichtlich ist. Dabei zeigt die ausgezogene Linie den Öffnungshub eines Auslaßventiles eines erfindungsgemäßen Dieselmotors, während die gestrichelte Linie den Öffnungshub eines Auslaßventiles eines üblichen Dieselmotors veranschaulicht; auch diese Darstellung ist für den Fachmann aus sich selbst heraus verständlich, so daß wegen näherer Einzelheiten ausdrücklich hierauf verwiesen wird.
Insbesondere ist aus Fig. 4 ersichtlich, daß der Öffnungshub des Auslaßventiles eines erfindungsgemäßen Dieselmotors etwa während der zweiten Hälfte des Ansaughubes nur bei einem Teil des maximalen Öffnungshubes liegt, wodurch in der weiter oben näher erläuterten Weise die Rückansaugung von.Abgas begrenzt wird, ohne dabei die Kühlwirkung auf die Aus-
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laßventile merklich zu verringern.
Selbstverständlxch ist die Erfindung nicht auf das darge stellte Ausführungsbeispiel begrenzt.
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Claims (14)

  1. Patent- (Schutz-) Ansprüche
    iy Verfahren zum Betrieb eines aufgeladenen Viertakt-Dieselmotors, insbesondere zur Verbesserung der Betriebsbedingun gen beim Start und beim Lauf unter niedriger Last, dadurch gekennzeichnet, daß beim Start ebenso wie unter allen anderen Betriebsbedingungen des Motors die Auslaßventile am Ende des Auspuffhubes und während des überwiegenden Tei les des Ansaughubes geöffnet gehalten werden und daß die Menge des im Ansaughub*· rückgesaugten Abgases durch wahlwei se Erhöhung der bei niedriger Last zwischen Ansaugleitung und Abgasleitung bestehenden zwangsläufigen Druckdifferenz gesteuert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung der Druckdifferenz durch wahlweisen Aufbau eines geringen steuerbaren Gegendruckes im Abgassystem herbeigeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung der Druckdifferenz durch wahlweise Erzeugung eines geringen steuerbaren Druckabfalls im Ansaugsystem herbeigeführt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere zum Betrieb eines Dieselmotors mit niedrigem nominalem Ver—
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    dichtungsverhältnis, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Start die beim Stillstand im Abgassystem enthaltene oder eingeführte Luft- bzw. Abgasmenge über eine gewisse Zeitspanne erwärmt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßventile am Ende des Auspuffhubes und während der Öffnungsdauer im Ansaughub nur über einen Teil ihres Gesamtöffnungshubes geöffnet sind.
  6. 6. Mittels Turbolader aufgeladener Viertakt-Dieselmotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwelle eine Steuernockenanordnung aufweist, welche die Auslaßventile während des überwiegenden Teiles des Ansaughubes geöffnet hält, und daß in der Abgasleitung (2) einstellbare Steuerglieder (Drosselklappe 3) zur'Erzeugung eines geringen Gegendrucks an der Abgasseite des Motors vorgesehen sind.
  7. 7. Dieselmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet/daß die Steuerglieder eine einstellbare Drosselklappe (3) in der Abgasleitung stromab der Abgasturbine (4) des Turboladers aufweisen.
  8. 8. Dieselmotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ansaugleitung (9) des Motors wenigstens eine einstellbare Drosselklappe (7) zur wahlweisen Erzeugung eines geringen Druckabfalls vorgesehen ist.
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  9. 9. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuernocken für den Öffnungshub der Auslaßventile zwei Steuerflächen aufweisen, und daß die zur Steuerfläche für die taktmäßige Öffnung des Auslaßventiles im Auspufftakt zusätzliche Steuerfläche radial weiter innen liegt und das zugeordnete Auslaßventil im anschließenden Ans äugt aktjnur über einen Teil des maximalen Öffnungshubes geöffnet hält.
  10. 10. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, insbesondere mit einem niedrigen nominalen Verdichtungsverhältnis von weniger als 12 und hohen Aufladedruckverhältnis von über 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgassammler eine für eine gewisse Zeit einschaltbare Heizeinrichtung (ίο) vorgesehen ist.
  11. 11. Dieselmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung einen elektrischen Heizwiderstand aufweist.
  12. 12. Dieselmotor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung der Abgasleitung (2) warme oder erwärmte Luft im Gegenstrom zur Strömung in den Abgasrohren der Zylinder zuführt.
  13. 13. Dieselmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung einen stromauf der einstellbaren Drosselklappe (3) für die Erhöhung des Gegendrucks in die Abgasleitung mündenden Brenner aufweist.
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  14. 14. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 6 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß die von den zusätzlichen Steuerflächen der Steuernocken erzeugte Verzögerung der Schließbewegung der Auslaßventile gegenüber dem oberen Totpunkt (OT) des Arbeitskolbens zwischen 85 und 150 Kurbelwellendrehung liegt, was annähernd zu einer Öffnung der Auslaßventile über eine volle Kurbelwellenumdrehung führt.
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DE19752503806 1974-02-01 1975-01-30 Verfahren zum betrieb eines aufgeladenen viertakt-dieselmotors sowie mit dem verfahren betriebener motor Withdrawn DE2503806A1 (de)

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