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Viertakt-Verbrennungsmotor mit einer Einrichtung zum Zurückführen
von Gasen aus einer Abgasleitung in den Verbrennungsraum Die Erfindung betrifft
einen Viertakt-Verbrennungsmotor mit, mindestens einem Verbrennungsraum, Steuerorganen
für dann Einlaß- und Auslaß von Gasen, wie Ventilen oder Schiebern, und mit einer
Einrichtung zum Zurückführen von Gasen aus einer Abgasleitung in den Verbrennungsraum.
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dem Buch "Wege zum Hochleistungs-Viertaktmotor" von Ludwig Apfelbeck, Motorbuch-Verlag
Stuttgart 1983, wird auf Seite 28 angegeben, daß eine infolge einer Überschneidung
der Öffnungszeiten zwischen dem Einlaßventil und dem Auspuffventil beim Übergang
zwischen dem Auspuffvorgang und dem Ansaugvorgang Frischgas, das in das Auspuffrohr
gelangt ist, durch Schwingungsvorgänge wieder in den Zylinder zurückgestoßen werden
kann. Eine derartige Betriebsweise erscheint allenfalls in einem engen Drehzahlbereich
funktionsfähig, und außerdem würde eine derartige Betriebsweise voraussetzen, daß
eine höhere Oberschwingung des Auspuffsystems, da für eine optimale Schalldämpfung
im allgemeinen auf der (rundfrequenz arbeitet, ausgenutzt wird. Bei einer höheren
Oberschwingung jedoch ist die Amplitude der Schwingungen klein und die Wirkung daher
begrenzt. Durch eine derartige hückförderung von Frischgas in den Verbrennungsraum
wird verhindert, daß unverbrannter Brennstoff durch den Auspuff naeh außen gelangt,
es kann jedoch der Füllungsgrad des Verbrennungsraums nicht vergrößert werden.
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Es ist außerdem bekannt, von der Auspuffanlage eine Rohrleit zur Ansaugleitung
des Motors zu verlegen, durch die ein gewisser Anteil von Auspuffgasen beim Ansaugvorgang
durch das Einlaßsteuerorgan in den Verbrennungsraum gelangt.
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Hierdurch wird bezweckt, daß die Spitzentemperatur im Verbrennungsraum
gesenkt wird, um dadurch die Menge der entstehenden Stickoxide zu verringern. Es
weist nämlich das in Auspuffgasen enthaltene Kohlendioxid eine relativ hohe spezifische
Wärmekapazität auf und bewirkt daher eine Absenkung der Verbrennungstemperaturen.
Eine derartige AbgasrRickführung ist konstruktiv aufwendig. Die Anordnung eignet
sich zwar zur Verringerung der Stickoxide, ist jedoch dann nicht geeignet, wenn
eine Überladung erzielt werden soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem eingangs
geschilderten Viertaktmotor eine Möglichkeit zu schaffen, die sich konstruktiv einfach
verwirklichen heißt und die es ermöglicht, wahlweise in die Abgasleitung gelangt
tes Frischgas oder Auspuffgase in den Verbrennungsraum zurückzubringen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung
zum kurzzeitigen Öffnen des Auslaßsteuerorgans vorgesehen ist, die ein Auslaßsteuerorgan
im Zeitraum nach dem Öffnen des Einlaßsteuerorgans und vor dem Zünden erneut öffnet.
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Durch die Erfindung wird somit vorgesehen, daß das AuslaL<-steuerorgan,
nachfolgend vereinfachend nur kurz Auslaßventil genannt, nachdem es nach Abschluß
des Auspuffvorgarlcrrs, in dessen Endabschnitt das Einlaßventil (genauer das EinJaßsteuerorgan)
möglicherweise bereits geöffnet war, geschlossen worden war, zu einem späteren Zeitpunkt,
jedoch noch vor dem Zünden der brennfähigen Gasmischung erneut geöffnet wird. Wenn
mehrere Auslaßsteuerorgane vorhanden sind, so müssen diese nicht gleichzeitig geöffnet
und/oder geschlossen werden. Insbesondere kann das zur Gas rückführung verwendete
Auslaßsteuerorgan vor dem Ende des Auspuffvorgangs bereits geschlossen sein. Der
Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Zeitraum des erneuten Öffnens so gew.ihlt
werden kann, daß während dieses Zeitraums in der Auspuffleitung des Verbrennungsraumes
ein relativ hoher Druck herrscht, der die in der Auspuffleitung in nci.chster Wihe
de Verbrennungsraums befindlichen Gase in den Verbrennungsraum zurückfördert. Dabei
kann durch geeignete Wahl des Zeitraums,
in dem das Auslaßventil
abermals geöffnet ist, möglicherweise innerhalb eines großen Drehzahlbereichs diese
geschilderte Gasrückführung wirkungsvoll vorgenommen werden.
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Weiter ist von Vorteil, daß bei der Ausnutzung von Schwingungen des
Abgassystems die Grundschwingung oder eine niedrige Oberschwingung, beispielsweise
die zweite oder dritte Oberschwingung verwendet werden kann, wenn zwischen dem Ende
des Auspuffvorgangs und dem abermaligen Öffnen des Auslaßsteuerorgans eine größere
Zeitspanne liegt. Bei derartigen Grund- oder Oberschwingungen sind die Amplituden
der Schwingungen relativ groß und daher die Gasrückführung besonders wirkungsvoll.
Dies ermöglicht es, durch die Gasrückführung auch eine Drucküberhöhung im Verbrennungsraum
zu bewirken.
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Außerdem ermöglicht es ein hoher Druck in der Abgasleitung, dß das
Auslaßventil zu einem Zeitpunkt abermals geöffnet werden kann, wo nach Abschluß
des Ansaugvorgangs aie angesaugten Prischgase bereits verdichtet werden.
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Weiter ist bei der Erfindung von Vorteil, daß die Zeitdauer der abermaligen
Öffnung des Auslaßventils und dadurch die Menge der rückgeführten Gase auf einfache
Weise genau bestimmt werden kann.
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Bei Motoren mit sehr großem Drehzahlbereich kann gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung der Zeitraum, in dem das Auslaßventil abermals geöffnet wird, drehzahlabhängig
gesteuert werden, damit jeweils ein Optimum der Gasrückführung erzielt wird. in
dem eingangs zitierten Buch ist zwar angegeben, daß bei Zweitakt-Rennmotoren eine
beträchtliche Überladung dadurch erreicht wird, daß während des Spülvorganges eine
gewisse
Frischgasmenge zunächst in die besonders gestaltete AuspufU-anlage
gelangt und dann durch eine Druckwelle wieder in den Zylinder zurückgeführt wird.
Diese Angabe bietet jedoch dem Fachmann, der sich mit der Verbesserung von Viertakt-Motorcn
befaßt, keine Hilfe, und führt ihn nicht zur Erfindung, weil der Gaswechselvorgang
am Zweitaktmotor prinzipiell anders abläuft als beim Viertaktmotor. Der Ansaugvorgang
findet beim Zweitaktrennmotor nicht direkt statt, sondern das Ansaugen erfolgt über
das Kurbelhaus während des Übèrströmtaktes in den Brennraum. Der Überströmvorgang
findet bei geöffnetem Auspuffschlitz statt. Das heißt der Auspuffvorgang beginnt
vor dem Überströmen und endet nach dem Uberströmen, dadurch ist ein Rückführen von
Frischgas möglich.
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Beim Viertaktmotor laufen jedoch Auspuff- und Ansaugvorgang zeitlich
getrennt ab, das heißt der gesamte Ansaugvorgang kann nicht während des Ausstoßens
stattfinden.
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Die Erfindung läßt sich bei solchen Motoren anwenden, die für eine
hohe Leistung konstruiert sind, somit insbesondere bei solchen, bei denen mit einer
Überschneidung zwischen den Öffnungszeiten des Einlaßventils und Auslaßventils im
bergangsbereich zwischen dem Auspuffvorgang und dem Ansaugvorgang gearbeitet wird.
Die Überschneidung in den Öffnungsz&iten der Einlaß- und Auslaßsteuerorgane
wird bei Hochleistungsmotoren bekanntlich dazu verwendet, die Frischgassäule vor
dem Einlaßsteuerorgan zu beschleunigen, so daß der Verbrennungsraum rasch gefüllt
werden kann. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit im Ansaugrohr kann dabei, nachdem
das Auslaßsteuerorgan geschlossen ist, auch eine Überladung im Verbrennungsraum
erzielt werden. Demgemäß wird bei einem Ausführungsform der Erfindung das Auslaßsteuerorgan
bei noch offenem Einlaßsteuerorgan erneut geöffnet. Dabei kann gemäß
einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung das Maximum der Öffnung des Auslaßsteuerorgans
ebenfalls bei noch offenem Einlaßsteuerorgan liegen, bei einer anderen Ausführungsform
dagegen ist beim Maximum der Öffnung des Auslaßsteuerorgans d;ls Einlaßsteuerorgan
bereits wieder geschlossen. Schließlich kann der Beginn der erneuten Öffnung des
Auslaßsteuerorgans so gelegt werden, daß zu diesem Zeitpunkt das Einlaßstellerorgan
bereits geschlossen ist. Bei den geschilderten Ausführungsformen ist im allgemeinen
damit zu rechnen, daß bei Beginn des Ansaugvorgangs Frischgas, im allgemeinen also
ein Benæindampf-Luftgemisch oder Frischluft bei Brennraum eitli,pritzung, auch in
die Auspuffleitung gelangt. Beim abermaligen Öffnen des Auslaßsteuerorgans wird
dieses Frischgas ganz oder teilweise in den Verbrennungsraum zurückgefördert. Je
nach Dauer der Öffnung des Auslaßsteuerorgans kann auch Auspuffgas zurückgefördert
werden. Es kann somit verhindert werden, daß unverbrannter Treibstoff durch den
Auspuff nach außen gelangt und falls gewünscht, kann .uch die Verbrennungstemperatur
durch die zurückgeführten Anteile an Auspuffgas abgesenkt werden. Bei derjenigen
Ausführungsform, bei der das Auslaßventil dann abermals geffnet wird, wenn das Einlaßventil
bereits geschlossen ist oder sich unmittelbar vor dem Schließen befindet, kann durch
die das Auslaßventil von der Auspuffleitung her passierende Druckwelle eine Uberladung
im Verbrennungsraum erzielt werden, wodurch die Leistung des Motors erhöht werden
kann.
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Uje Erfindung ist auch bei solchen Motoren verwendbar, bei denen keine
Überschneidung zwischen den Öffnungszeiten der Einlaß- und Auslaßsteuerorgane vorliegt,
also bei üblichen Gebrauchsmotoren. In einem derartigen Fall kann kein Prischgas
in die Auspuffleitung gelangen, und daher wird beim
abermaligen
Öffnen des Auslaßsteuerorgans lediglich Auspuffgas in den Verbrennungsraum zurückgefördert,
so daß die erzeugung von zu großen Mengen an Stickoxiden verhindert wird. Hier ist
bei der Erfindung besonders von Vorteil, diW die Menge der zurückgeführten Auspuffgase
durch geeignete Steuerung des Auslaßventils sehr genau bestimmt werden kann.
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Das Auslaßsteuerorgan kann in dem Fall, daß es sich um (?in von einer
Nockenwelle gesteuertes Ventil handelt, in ein facher Weise dadurch in der erfindungsgemaßen
Weise gesteuert werden, daß die Nockenwelle eine weitere Nocke fiir das Auslaßventil
aufweist, die zu der den Auspuffvorgang steuernden Nocke den gewünschten Winkelabstand
hat.
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Die Erfindung ist auch bei Motoren anwendbar, bei denen keine Ventile
vorgesehen sind, sondern bei denen Schieber vorgesehen sind. Dabei kann auch der
Kolben des Motors ii:' ein solcher Schieber wirksam sein.
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Anstatt eines abermaligen Öffnens des Auslaßventils ist t;,i auch
möglich, ein weiteres Steuerorgan (Ventil, Schiber) das zusätzlich zum Einlaßventil
und Auslaßventil. vorgesehen ist und das mit der Abgasleitung in Verbindung steht,
zti öffnen. Auch erscheint es möglich, in solchen Pillen, in denen pro Zylinder
des Viertakt-Motors vier Ventile vorgeor.-hen sind, nämlich zwei Einlaßventile und
zwei Auslaßventile, beim erfindungsgemäßen abermaligen Öffnungsvorgang nur eines
der beiden Auslaßventile zu öffnen, oder die zwei Auslaßventile in unterschiedlicher
Zeitfolge erneut zu öffnen.
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Wenn die Erfindung bei bereits existierenden Motoranlagen, insbesondere
auch bei Kraftfahrzeugen mit Viertakt-Motor,
verwirklicht werden
soll, so kann es zweckmaßig sin, zur optimalen Abstimmung auch Änderungen an der
Auspuffanlage vorzusehen, insbesondere hinsichtlich der Resonanzfrequenzen der Auspuffanlage.
Dadurch, daß jedoch bei dar Erfindung der Zeitraum, zu dem das Auslaßventil abermals
öffnet, in einem relativ weiten Bereich liegen kann, erscheint es möglich, d?iß
Änderungen an der Auspuffanlage zumindest in einigen Fällen dadurch überflüssig
gemacht werden können, daß dieser Zeitraum der abermaligen Öffnung des Auslaßventils
geeignet gelegt wird. heitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der i'Jrfindung anhand
der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den Anspriichen.
Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger
Kombination bei einer Ausführungsform der Erfind verwirklicht sein. Es zeigen: Fig.
1: einen Längsschnitt durch einen Zylinder eines Viertakt-Verbrennungsmotors eines
ersten Ausfiihrungsbeispiels, teilweise abgebrochen, wobei eine das Auslaßventil
steuernde Nockenwelle zwei Nocken aufweist, i,'. 2: einen Längsschnitt, teilweise
abgebrochen, durch den Zylinder eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Viertakt-Motors,
bei dem zwei Ventile und ein Schieber vorgesehen sind, L'it : schematisch ein Zeitdiagramm
für die Betitigung der Einlaß- und Auslaßsteuerorgane.
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In Fig. 1 ist in einem Zylinder 2 ein Kolben 4 verschiebbar geführt,
der in bekannter Weise über eine nicht gezeigte Pleuelstange eine ebenfalls nicht
gezeigte Kurbelwelle antreibt. In einem Zylinderkopf 6 ist ein durch eine erste
Nockenwelle 8 betätigtes Einlaßventil 10 angeordnet und außerdem ist ein durch eine
zweite Nockenwelle 1 betätigtes Auslaßventil 14 vorgesehen. Die Ventile 10 und 14
steuern die Verbindung zwischen einem Einlaßkanal 16 bzw. einem Auslaßkanal 18 und
dem Brennraum 20 des Motors. Die erste Nockenwelle 8 weist eine dem Einlaßventil
10 zugeordnete Nocke 22 auf, und die zweite Nockenwelle 12 weist eine dem Auslaßventil
14 zugeordnete Nocke 24 auf. Die Nockenwellen sind mit der Kurbelwelle gekoppelt.
Die den Ventiltellern 26 abgewandten Enden der Ventile werden durch Federn 28 in
Anlage an den sie steuernden Nocken gehalten. Aus der bei der Nockenwelle 8 und
12 eingezeichneten Drehrichtung im Gegenuhrzeigersinn und der Etage der Nocken 22
und 24 und daraus, daß sich der Kolben 4 in seiner obersten Position befindet, erkennt
man, daß der Auspuffvorgang gerade beendet worden ist und daß das Auslaßventil 14
gerade noch offen ist, während das Einlaßventil 10 bereits etwas geöffnet hctt.
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Der in Fig. 1 gezeigte Motor arbeitet somit mit einer Überschneidung
der Öffnungszeiten der Einlaß- und Auslaßventile.
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Soweit der Motor gemäß Fig. 1 bisher beschrieben worden ist, gehört
er zum Stand der Technik. Von bekannten Motoren unterscheidet sich der Motor 1 dadurch,
daß die Nockenwelle 12 eine weitere, dem Auslaßventil 14 zugeordnete Nocke 30 aufweist.
Durch die weitere Nocke 30 wird das Auslaßventil 14, nachdem es ausgehend von der
in Fig. 1 gezeigten Lage zunächst noch vollständig geschlossen worden ist, n nachdem
das Einlaßventil 10 vollständig geöffnet worden ist,
wobei sich
auch der Kolben 4 nach unten bewegt hat, abermals geöffnet. Dadurch besteht die
Möglichkeit, daß Frischgas, also brennfähiges Kraftstoff-Luftgemisch, das vom Einlaßkanal
16 direkt in den Auslaßkanal 18 gelangt ist, durch eine von der Auspuffanlage erzeugte
Druckwelle wieder in den Brennraum 20 zurückgefördert wird. Die durch die weitere
Nocke 30 bewirkte maximale Öffnung des Auslaßventils 14 tritt dabei zu einem Zeitpunkt
ein, wo sich das Einlaßventil 10 schon wieder nahezu geschlossen hat. Es findet
daher durch die von der Auspuffanlage stammende Druckwelle sowohl eine Rückführung
des noch nicht verbrannten Kraftstoffes in den Brennraum 20 statt, als auch eine
Druckerhöhung und somit eine Überladung. Dadurch wird sowohl der Kraftstoff gut
ausgenutzt als auch die Leistung erhöht.
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Dadurch, daß die Drehstellung der ersten Nockenwelle 8 relativ zur
zweiten Nockenwelle 12 geändert wird, läßt sich der Motor 1 so abwandeln, daß beim
Ladungswechsel eine Überschneidung der Öffnung nicht eintritt. In einem derartigen
Fall wird kraftstoffreies Auspuffgas in den Brennraum 20 zurückgefördert, wenn das
Auslaßventil 14 durch die weitere Nocke 30 geöffnet wird.
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Die weitere Nocke 30 ist niedriger als die Nocke 24 und spitzer als
diese. Daher ist die durch die weitere Nocke 30 bewirkte maximale Öffnung des Auslaßventils
kleiner als die durch die Nocke 24 bewirkte Öffnung, und außerdem bleibt das Auslaßventil
14 dann, wenn es durch die weitere Nocke 30 geöffnet wird, kürzere Zeit offen als
wenn es durch die Nocke 24 geöffnet wird.
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Durch geeignete Anordnung und Gestaltung der weiteren Nocke 30 kann
die zeitliche Lage der abermaligen Öffnung des Auslaßventils 14 und die Dauer der
Öffnung den jeweiligen Erforderungen angepaßt werden.
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Der in Fig. 2 im Schnitt durch einen Zylinder gezeigte Motor 31 weist
wie der Motor nach Fig. 1 eine herkömmliche, das Einlaßventil steuernde Nockenwelle
8 auf, und weist im Gegensatz zur Fig. 1 und in Übereinstimmung mit dem Stand der
Technik eine herkömmliche Nockenwelle 34 mit nur einer einzigen Nocke 35 zur Steuerung
des Auslaßventils 14 auf.
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Von bekannten Motoren unterscheidet sich der Motor 31 nach Fig. 2
dadurch, daß der Auslaßkanal 18 des Zylinderkopfs 6, der in ein Auspuffrohr 38 führt,
durch eine Abzweigung 40 des Auspuffrohrs 38 mit einer Bohrung 42 im Zylinder 44
verbunden ist. Die Bohrung 42 ist in der gezeigten Stellung des Kolbens 4 in seinem
unteren Totpunkt voll geöffnet, wird jedoch dann, wenn sich der Kolben 4 nach oben
bewegt, abgedeckt. Der Kolben 4 bildet somit einen die Bohrung 42 verschließenden
oder freigebenden Schieber. Im Ausführungsbeispiel ist das Auslaßventil 14 geschlossen
und das Einlaßventil 10 ist gerade im Schließen begriffen; der Ans.lllgvorgang steht
somit kurz vor seinem Ende. Durch die freigeg(-bene Bohrung 42 tritt eine von der
Auspuffanlage geliefert Druckwelle in den Brennraum 20 ein und führt Auspuffgase
ri somit Kohlendioxid in den Brennraum 2() ein. Je nach Ausfi:thrungsform und Lauge
der Steuerzeiten der Ventile kann auch im Auspuffrohr 38 enthaltener unverbrannter
Treibbstoff durch die Abzweigung 40 in den Brennraum 20 zurückgeführt werden.
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Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 während des nun folgenden Verdichtungshubs
wird die Bohrung 42 durch den
Kolben 4 verschlossen. Anschließend
erfolgt die Zündung durch eine Zündkerze und der Kolben 4 wird durch die infolge
ihrer Erwärmung expandierenden Gase im Inneren des Brennraums 20 wieder nach unten
bewegt und gibt dabei mechanische Arbeit ab. Sobald der Kolben 4 die Bohrung 42
freigibt, treten hier bereits Auspuffgase durch die Abzweigung 40 in das Auspuffrohr
38 aus. Nach dem Durchlaufen des unteren Totpunkts bewegt sich der Kolben 4 wieder
nach oben, und es öffnet dann zu einem geeigneten Zeitpunkt das Auslaßventil 14,
damit die Verbrennungsgase soweit wie möglich aus dem Brennraum 20 entfernt werden
können.
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Fig. 3 zeigt in einem Diagramm, das in der waagrechten Achse die Kurbelwellenstellung
in Grad enthält, den zeitlichen Verlauf der Öffnung des Einlaßventils und des Auslaßventils
des Motors 1 nach Fig. 1 beim Gaswechsel, also während des Auspuffvorgangs und des
nachfolgenden Ansaugvorgangs. Die Kurve a zeigt die Öffnung des Auslaßventils 14
während des normalen Auspuffvorgangs. Das Auslaßventil 14 öffnet rasch (ansteigende
Flanke der Kurve a), bleibt dann einige Zeit offen (waagrechter Abschnitt der Kurve
a) und schließt dann wieder rasch (abfallende Flanke der Kurve a). Während des o(hließvorgangs
des Auslaßventils 14 öffnet bereits das Einlaßventil 10 (Kurve b). Es liegt somit
eine Überschneidung der Steuerzeiten vor. Während des Schließvorgangs des Einlaßventils
10 (fallende Flanke der Kurve b öffnet das Auslaßventil 14, durch die weitere Nocke
30 gesteuert, noch einmal kurzzeitig (Kurve c). Das Maximum der Öffnung gemäß Kurve
c liegt dabei niedriger als bei der Kurve a, und die Maximalöffnung wird nur während
eines sehr kurzen Zeitraums erreicht, daher weist die Kurve c keinen waagrecht verlaufenden
Abschnitt auf. Die Kurvenverläufe in Fig. 3 sind
vereinfacht. In
der Realität treten keine Geschwindigke@ und Beschleunigungssprünge der Ventilhubkurven
auf und dies@ verlaufen daher mit abgerundeten Übergängen zwischen den verschiedenen
Kurventeilen. lm Beispiel des Motors 1 nach Fig. 1 ist folgender Ot'i t@@-lauf vorgesehen:
Öffnen des Auslaßventils: 60° der Kurbelwelle vor unterem Totpunkt (UT), Schließen
des Auslaßventils 14: 40° nach oberem Totpunkt (@T), einen des Einlaßventils 10:40°
vor OT, ließen des Einlaßventils 10:50 nach UT, abermaliges Öffnen des Auslaßventils
14 (Kurve c):30° nach UT, Schließen des Auslaßventils 14:80° nach UT.
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- L e e r s e i t e -